CN1446352A - 一种磁头 - Google Patents

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Abstract

一种磁头，它包括基材(25)、沉积在基材上的非磁性种子层(37)、位于非磁性种子层(37)上面的并与其接触的底部磁芯件(16)、磁性种子层(39)，位于磁性种子层(39)上面并与其接触的顶部磁芯件(14)。磁性种子层(39)是由Fe、Co、Zr和Ta组成的合金层。

Description

一种磁头
发明背景
要求基于2000年8月15日提交的、标题为“高电阻，高磁矩溅射FeCoZrTa薄膜”的临时专利申请60/225329的优先权。
本发明涉及一种磁头。更具体地说，本发明涉及制造一种磁头，该磁头包含相邻于磁芯的高磁矩和高电阻率的磁性种子层，得以提高磁头的性能。
磁头是用来在磁性存储介质(如相对磁头来说是可移动的磁盘)上读写数据的。磁头包括形成磁头磁芯的上部和下部磁轭以及磁极。电导体(或线圈)穿过用来在磁性存储介质上读写信息的磁芯。第一种子层位于下部磁轭的下面，第二种子层位于上部磁轭的下面。
在进行写入操作时，电流流过线圈，在磁芯中产生磁场。在磁芯的两个磁极顶端之间的小空隙中存在一个间隙区域。电流流过线圈产生的磁通跨过这个间隙区域。此磁通接着就用来在存储介质上施加一个磁场，形成磁性转变，然后该磁性转变就被记录下来。
现在越来越需要以日益增高的速率在计算机系统中处理数据。这种需要对于磁性存储子系统(包括磁头和存储介质)来说形成相应的负担，需要以更高的速率和和在更高密度的表面区域存储数据。因此，用于制造磁头和磁性存储介质的材料需要满足越来越高的要求。具体地说，磁头的性能会受到用于芯材料和每个种子层中的材料的磁性的影响。
由于数据率的提高，磁性材料会受到涡流和磁滞现象的负面影响。涡流的影响是由于随着时间变化的通量在磁芯中感应生成的电流造成的。这种不好的影响会造成磁芯发热，并且随后使磁头的数据率发生退化。为了减少和消除涡流的负面影响，用于形成上芯的顶部磁极的种子层的材料应有高的电阻率。但是，现在用于磁头种子层部分的磁性材料，其电阻率是不够的。
而且，现在也越来越需要在更小的磁性存储介质表面上处理更多的信息。为了在更小的表面上处理更多的信息，必须在此小的表面上提高磁通密度。这种对于磁通密度的更高要求就需要磁性材料有高的磁矩。
另外，用于磁头种子层的磁性材料应显示出高的各向异性。例如，种子层应该显示出软磁特性，如能够轻易并快速地磁化和退磁。现在用于种子层的材料并没有显示出足够的各向异性。
因此，一种改进的磁头，特别是具有高电阻率、高磁矩和所需各向异性的改进的磁性种子层，在本发明领域中将是个重大的改进。
发明概述
一般地说，一方面，本发明的特征是一种磁头。这种磁头包括基材、沉积在基材上的非磁性种子层、位于非磁性种子层上面并与其接触的底部磁芯件、磁性种子层、位于该磁性种子层上面并与其接触的顶部磁芯件、夹于底部磁芯件至少一部分和磁性种子层至少一部分之间的间隙。
本发明的各个方面可包括一种或多种下述特征。磁性种子层可以是包含Fe、Co、Zr和Ta合金的单层。Fe含量的范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％，磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
磁性种子层可以是包含基层和顶层的双层结构。基层可以是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta和TaN的合金。基层合金的厚度范围可以是5-500埃。顶层可以是包含Fe、Co、Zr和Ta的合金。Fe含量的范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％。磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
另一方面，本方面的特征是制造磁头的方法。这种方法包括在基材上沉积非磁性种子层，在非磁性种子层上形成磁芯的底部，在磁芯底部的至少一部分上沉积非磁性材料，在非磁性材料上沉积磁性种子层，在磁性种子层上形成磁芯的顶部，该非磁性材料形成磁头用的间隙。
在一个实例中，沉积磁性种子层可包括沉积包含Fe、Co。Zr和Ta的单层。Fe的含量范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％。磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
沉积磁性种子层可以是沉积包括基层和顶层的双层结构。基层可以是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta和TaN的合金。基层合金的厚度范围可以是5-500埃。顶层可以是包含Fe、Co、Zr和Ta的合金。Fe含量的范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％。磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
沉积磁性种子层可包括使用Dc-磁控管溅射。溅射可以以至少500瓦的功率，在至少10毫托的气体压力和电流产生的磁场下进行，还可包括施加50-200奥斯特的磁场。
沉积磁性种子层也可包括在100-500℃的温度范围内进行后退火。后退火的时间(它随温度而变化)的范围可是10分钟-100小时。后退火过程可以在把磁性种子层沉积到磁头上以后进行。
另一方面，本方面的特征是一种磁头，它包括沉积在基材上的非磁性种子层、位于非磁性种子层上面并与其接触的底部磁芯件、提高磁头的磁矩和电阻率的装置和位于该装置的上面并与其接触顶部磁芯件。
在一个实例中，提高磁头的磁矩和电阻率的装置可以是个单层Fe、Co、Zr和Ta合金的磁性种子层。Fe含量的范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％。磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
在另一个实例中，提高磁头的磁矩和电阻率的装置可以是个包含基层和顶层的磁性种子层。基层可以是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta和TaN的合金。基层合金的厚度范围可以是5-500埃。顶层可以是包含Fe、Co、Zr和Ta的合金。Fe含量的范围是50-80原子％，Co含量的范围是20-50原子％，Zr含量的范围是1-10原子％，Ta含量的范围是1-10原子％。磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
本发明可提供一种或多种下列优点。在相邻于磁头的磁芯结构的磁性种子层中存在高电阻率和高磁矩的材料，可以减少不好的涡流影响。结果，磁头可处理更高的数据率。而且，种子层的高磁矩属性可使磁头能在更高密度的存储介质上处理数据。对于磁性种子层的加以后退火处理还可进一步提高磁性种子层的磁矩，也可使磁头处理更高的数据率。
本发明的一个或多个实例的详细情况描述在下面的附图和说明中。由这些说明、附图和权利要求书，本发明的其它特征、目的和优点就清楚了。
附图简述
图1是常用磁头的平面图。
图2是根据本发明制备的磁头的截面图。
图3是根据本发明制备的磁性种子层的截面图。
图4显示根据本发明制备的磁性种子层的磁滞曲线。
图5是比较单层磁性种子层与双层磁性种子层的性能和后退火效果的图。
图6显示后退火对一些高磁矩材料磁矩的效果。
图7是比较各种高磁矩材料磁性的表。
发明详述
图1是包含磁芯13的典型磁头12的平面图，该磁芯13包括上部芯件14和下部芯件16。线圈18延伸通过磁头12，夹在上部芯件14和下部芯件16之间。上部芯件14有个上芯尖端20，而下部芯件16有个下芯尖端22。在上芯尖端20和下芯尖端之间形成一个间隙24。通常用氧化铝填充间隙。磁性存储介质(没有显示)可放在接近间隙24的地方，从而可在介质上读取或写入信息。
图2是本发明制造方法一个实例中的磁头12的截面图。这个方法先是在基材25上沉积一层底涂层36。底涂层36可以是不导电氧化铝材料，通常使用溅射技术施加。在制造过程中，类似磁头12的多个磁头可沉积覆盖在基材25整个表面上。但是，为了这个例子的目的，只显示了单磁头12的制备。非磁性种子层37可用作磁芯13底部的基础。可将一层磁性材料(坡莫合金)薄膜施涂在非磁性种子层37的表面上。这个薄膜层形成了磁芯13的底部，在此底部有下磁轭10、下后部28、和中心的一部分30。非磁性种子层37可使用平版印刷技术沉积在磁芯13的底部上。然后将线圈18沉积在绝缘层38上，并环绕中心30。建立绝缘层38以覆盖线圈18。接着把磁性种子层39沉积到层38上，也可在层39上再沉积一组磁性材料(如坡莫合金)层。这些附加的层可包括上磁轭11、上磁极件14、后上部26和中心的一部分30。这些附加层的沉积可以用电沉积，也可以用溅射方法。
图3显示一个改进的磁性种子层39的实例，该磁性种子层39夹在绝缘层38和磁芯13顶部之间。在一个实例中，种子层39包括底部种子层39a和顶部种子层39b。底部种子层39a可由选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta和TaN的合金组成。底部种子层39a的厚度范围是5-500埃。
顶部种子层39b可使用溅射技术沉积在磁芯38上，可以是由Fe、Co、Zr和Ta组成的合金。在此合金的一个实例中，Fe为50-80原子％，Co为20-50原子％，Zr为1-10原子％，Ta为1-10原子％。
磁性种子层可以溅射沉积在磁芯38上。合适的溅射方法包括以至少500瓦的功率在至少10毫托的气体压力和基于电流的磁场下使用DC-磁控管溅射技术。磁性种子层39的磁性能(如磁矩)可使用后退火处理得到改进。例如，种子层39可在100-150℃的温度范围进行退火，保温时间取决于温度，可为10分钟-100小时。而且，材料的磁矩还可在后退火过程中施加50-200奥斯特的磁场得到改进。
在另一个实例中，磁性种子层39只是个单层，该单层由与上述相同的合金Fe、Co、Zr和Ta形成。但是，双层磁性种子层39与单层磁性种子层相比，可显示出更高的磁矩。具有更高磁矩种子层的磁头与磁矩较低的种子层相比，能够以更高的数据率处理数据。
本发明磁性种子层显示的磁性，可使磁头能够在高数据率和高密度用途中使用，如长途通讯和需要快速存取数据和数据存储非常重要的网络环境。
如图4所示，磁滞曲线图40显示了FeCoZrTa磁性种子层改进的各向异性。H轴表示磁场强度，以奥斯特为单位，它存在于磁性种子层中，是由于电流通过磁芯产生的。B轴表示磁通，纳韦伯为单位，它是由磁性种子层因磁场强度H产生的。如磁滞回线42的两个腿间的很窄宽度41所示，磁性种子层也可显示出低的矫顽磁场强度。低的矫顽磁场强度是磁性材料具有“软”磁性的特征，所述软磁性能使磁性材料轻易地磁化和去磁。结果，磁性种子层就能够以高的数据率处理数据。
图5描述了性能图50，显示磁头的磁矩Bs通过加入FeCoZrTa磁性种子层得到多大的提高。当磁性种子层沉积在基材如硅的基材上，不经后退火，磁矩Bs52大约是20.53kG。而经后退火后，如图所示，磁矩Bs54增加至大约21.02kG。
为了大大增加磁性材料的磁矩Bs，可以使用双层磁性种子层。如前所述，双层种子层可使用底部种子层39a和顶部种子层39b来制造。由于双层结构的结果，然后把磁矩Bs56提高到21.75kG。如前所述，底部种子层39a由约45埃厚的NiFe层构成。而且，磁矩Bs还可对种子层进行后退火而得到提高。如图所示，磁矩Bs58在后退火处理之后，从沉积后状态的21.75kG提高到22.24kG。
图6是个比较图60，显示了对一些传统磁性材料的磁矩Bs进行后退火处理的效果。当进行后退火处理时，这些磁性材料的磁矩Bs显示出约2％的下降。例如，在进行后退火处理之后，Fe60Co40的磁矩Bs 62从23.19kG下降到磁矩Bs 64的22.72kG。与此不同，参见图5，在进行后退火处理之后，FeCoZrTa磁性材料的磁矩Bs(52、54和56、58)有所提高。包含FeCoZrTa的磁性种子层显示的磁矩Bs的提高，使得磁头能够产生更高的磁通密度。
图7的表70比较了各种已知用于制造磁头的高磁矩材料的一些磁性质。如表所示，包含FeCoZrTa磁性种子层的磁头显示出整体上改进的磁性质。
例如，为了产生高磁通密度，磁头应具有高的磁矩Bs。如表所示，FeCoZrTa的磁矩Bs在所列磁性材料的范围内。其磁矩比Fe60Co40略低，但比Ni45Fe55略高。但是如图5所示，进行后退火处理后，FeCoZrTa显示出了提高的磁矩Bs。与此不同，表7中的其它材料在进行后退火处理之后磁矩Bs却减小。例如，参见图6，CoNiFe的磁矩Bs在后退火处理之后从22.90kG下降到22.59kG。
磁性材料的矫顽磁场强度可用Hc_e表示。例如，FeCoZrTa的值是4.2奥斯特，明显低于其它传统磁性材料(如矫顽磁场强度为34.1奥斯特的CoNiFe)。具有低矫顽磁场强度Hc_e的磁性种子层显示出高的软磁性质，使磁头能够快速磁化和退磁，这在高数据率的用途中是必须的。
用于磁头的磁性材料也应该具有高电阻率Rho的特征，该特征可使由于随时间变化通量产生的涡流减小。如表所示，相比其它表中所列的材料，FeCoZrTa材料的特征是具有明显高的电阻率Rho(1230hm.cm)
不像传统磁性种子层，FeCoZrTa种子层的特征是高电阻率、软磁性质、良好的热稳定性，还有高的饱和磁矩。这些性质使种子层用于高数据率和高密度用途中很有吸引力。
本发明的许多实例都已经描述。然而，可以理解，可做出各种不离开本发明的精神和范围的修改。例如，用于磁性种子层39的磁性材料FeCoZrTa也可用来代替非磁性种子层37。因此，其它实例也在下列权利要求书的范围内。

Claims (36)

1.一种磁头，它包括：
基材；
沉积在基材上的非磁性种子层；
位于非磁性种子层上面并与其接触的底部磁芯件；
磁性种子层；和
位于磁性种子层上面并与其接触的顶部磁芯件。
2.如权利要求1所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层是包括Fe、Co、Zr和Ta合金的单层。
3.如权利要求2所述的磁头，其特征在于所述Fe的含量范围是50-80原子％，所述Co的含量范围是20-50原子％，所述Zr的含量范围是1-10原子％，所述Ta的含量范围是1-10％原子。
4.如权利要求2所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
5.如权利要求1所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层是包含基层和顶层的双层。
6.如权利要求5所述的磁头，其特征在于所述基层是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta、TaN的合金。
7.如权利要求6所述的磁头，其特征在于所述基层的厚度范围是5-500埃。
8.如权利要求5所述的磁头，其特征在于所述顶层是Fe、Co、Zr和Ta的合金。
9.如权利要求8所述的磁头，其特征在于所述Fe含量的范围是50-80原子％，所述Co含量的范围是20-50原子％，所述Zr含量的范围是1-10原子％，所述Ta含量的范围是1-10原子％。
10.如权利要求5所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
11.一种制备磁头的方法，它包括：
把非磁性种子层沉积在基材上；
在非磁性种子层上形成磁芯的底部部分；
在磁芯的底部部分的至少一部分上沉积非磁性材料；
在非磁性材料上沉积磁性种子层；
在磁性种子层上形成磁芯的顶部部分；
12：如权利要求11所述的方法，其特征在于所述磁性种子层是包括Fe、Co、Zr和Ta合金的单层。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述Fe含量的范围是50-80原子％，所述Co含量的范围是20-50原子％，所述Zr含量的范围是1-10原子％，所述Ta含量的范围是1-10原子％。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述磁性种子层包括在其上面沉积了顶层的基层。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述基层是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta、TaN的合金。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述基层的厚度范围是5-500埃。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述顶层是Fe、Co、Zr和Ta的合金。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述Fe含量的范围是50-80原子％，所述Co含量的范围是20-50原子％，所述Zr含量的范围是1-10原子％，所述Ta含量的范围是1-10原子％。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
21.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述磁性种子层是使用Dc-磁控管溅射沉积的。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于所述溅射是以至少500瓦的功率，在至少10毫托的气体压力和电流产生的磁场下进行的。
23.如权利要求22所述的方法，它还包括施加50-200奥斯特的磁场。
24.如权利要求11所述的方法，它还包括对磁性种子层进行退火。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述退火是以一定保温时间在100-500℃的温度进行的。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于所述退火是在沉积了磁性种子层之后进行的。
27.一种磁头，它包括：
基材；
沉积在基材上的非磁性种子层；
位于非磁性种子层上面并与其接触的底部磁芯件；
用来提高磁头的磁矩和电阻率的装置；
位于所述装置上面并与其接触的顶部磁芯件。
28.如权利要求27所述的磁头，其特征在于所述用来提高磁头的磁矩和电阻率的装置包括包含Fe、Co、Zr和Ta合金单层的磁性种子层。
29.如权利要求28所述的磁头，其特征在于所述Fe含量的范围是50-80原子％，所述Co含量的范围是20-50原子％，所述Zr含量的范围是1-10原子％，所述Ta含量的范围是1-10原子％。
30.如权利要求28所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
31.如权利要求27所述的磁头，其特征在于所述用来提高磁头的磁矩和电阻率的装置包括包含基层和顶层的磁性种子层。
32.如权利要求31所述的磁头，其特征在于所述基层是选自NiFe、CoFe、NiFeCr、Ta、TaN的合金。
33.如权利要求31所述的磁头，其特征在于所述基层的厚度范围是5-500埃。
34.如权利要求31所述的磁头，其特征在于所述顶层是Fe、Co、Zr和Ta的合金。
35.如权利要求34所述的磁头，其特征在于所述Fe含量的范围是50-80原子％，所述Co含量的范围是20-50原子％，所述Zr含量的范围是1-10原子％，所述Ta含量的范围是1-10原子％。
36.如权利要求31所述的磁头，其特征在于所述磁性种子层的厚度范围是500-5000埃。
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