CN1551106A - 磁记录磁头和安装所述磁头的磁盘存储设备 - Google Patents

磁记录磁头和安装所述磁头的磁盘存储设备 Download PDF

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Abstract

使记录磁头的磁场分布线性化，从而可纠正记录位单元中磁性转变图案的弯曲。在具有主磁极1和辅助磁极3的SPT磁头中，在主磁极的后侧设置磁层32。磁层带有朝着主磁极突出的突出部分32a。使与主磁极相对的突出部分的侧面的宽度Nw小于主磁极后侧的宽度Tww。

Description

磁记录磁头和安装所述磁头的磁盘存储设备
技术领域
本发明涉及适于垂直磁记录的磁头，制造所述磁头的方法和安装所述磁头的磁盘设备。
背景技术
在磁盘设备中，利用磁头读取和写入记录介质上的数据。为了提高磁盘上单位面积的记录容量，必须增大面密度。但是，在目前的纵向记录系统中，当记录的位的长度减小时，由于介质中磁化强度的热波动，面密度不能被增大。为了解决这种问题，提出了一种垂直记录系统，借助该系统，沿着垂直于介质的方向记录磁化信号。
垂直磁记录的类型有两种。一种采用包含软底层的双层垂直磁记录介质，另一种采用不具有底层的单层垂直介质。当双层垂直磁记录介质被用作记录介质时，必须使用具有主磁极(pole)和辅助磁极的所谓单磁极类型(SPT)磁头进行记录，以便能够对介质施加较大强度的磁场。
除了记录的磁头场强之外，磁头磁场的垂直分量上的磁场梯度(借助其确定记录位单元的转变宽度)，即沿磁头移动方向的磁头磁场垂直分量上的磁场梯度是实现高记录密度的一个非常重要的因素。为了在未来实现更高的记录密度，必须进一步提高磁场梯度。另外，记录位单元中磁性转变图案(magnetic-transition pattern)的曲率造成实现更高记录密度的障碍。
为了提高记录密度，在垂直记录中，还必须提高磁道密度和线密度。为了提高磁道密度，必须使磁头的磁道宽度更细并且更准确。当使用STP磁头，在双层垂直磁记录介质上进行垂直磁记录时，由SPT中的磁极产生的记录磁场的分布大大不同于在把薄膜感应磁头用于纵向磁记录的情况下获得的记录磁场的分布。具体地说，该分布是这样，磁头记录场强的等值线(contour line)同心分布，主磁极的中心部分表现出最大强度，从里向外，在相邻等值线之间，等值线变得越来越宽。从而，记录的磁性转变图案是弯曲的，以致和磁道边缘部分中的磁性转变图案相比，磁道中心部分中的磁性转变位置更倾向于磁盘旋转方向。实际上，根据磁力显微镜(MFM)的观察结果，已明确确定了这种现象。
产生前述现象的原因在于主磁极仅由一个磁层构成。已知一种磁头，其中在磁头的主磁极附近设置由磁性材料构成的屏蔽层，例如在下面列举的专利文献1和非专利文献1～6中公开的磁头。鉴于磁场梯度的增大，设计了这些文献中公开的技术，这些技术不是用于纠正记录位单元中磁性转变图案的弯曲问题。而专利文献2公开一种结构，其中辅助磁极设置有突出部分，该突出部分不同于上述屏蔽层，它吸引磁场。另外，突出部分远离主磁极，距离为几个微米，从而它不能提供如下所述的本发明提供的效果。
(专利文献1)
美国专利No.4656546
(专利文献2)
JP专利公布(Kokai)No.2002-92820A
(非专利文献1)
IEEE Transactions on Magnetics，Vol.38，No.4，pp.1719-1724(2002)
(非专利文献2)
IEEE Transactions on Magnetics，Vol.38，No.1，pp.163-168(2002)
(非专利文献3)
Technical Report of the Institute of Electronics，Informationand Communication Engineers，MR2001-87，pp.21-26
(非专利文献4)
Technical Report of the Institute of Electronics，Informationand Communication Engineers，MR2002-65，pp.1-6
(非专利文献5)
Abstract No.FA02 of the 47th Annual Conference on Magnetismand Magnetic Materials
(非专利文献6)
Abstract No.FA03 of the 47th Annual Conference on Magnetismand Magnetic Materials
发明内容
除了记录磁头磁化强度和磁场梯度之外，实现高记录密度的另一重要因素是确定记录在介质上的位的磁性转变图案的磁场分布，尤其是后侧(磁盘旋转方向的下游)的磁场分布的二元化。如果相对于磁道方向弯曲磁性转变图案，那么当利用GMR(大磁阻)磁头或TMR(隧道磁阻)磁头再现时，磁性转变宽度变大，导致隔离脉冲的最大半宽度增大，以及由于磁道记录密度的增大，记录磁道宽度变窄的问题。于是，为了在未来获得更高的记录密度，必须纠正磁性转变图案的弯曲问题。
于是，本发明的目的是提供一种能够纠正记录位单元中磁性转变图案的弯曲的垂直磁记录头，和安装所述垂直磁记录头的磁盘设备。
本发明提供包括主磁极和辅助磁极的SPT磁头。磁层设置在主磁极的后侧。磁层带有朝着主磁极突出的突出部分。和主磁极相对的突出部分的侧面的宽度小于主磁极后侧的宽度。突出部分的形状例如可以是矩形或梯形。
在借助三维计算机模拟计算记录磁场之后，发明人认识到通过使用上述形状的记录磁头，可沿磁道宽度方向，使磁场分布线性化，并且能够纠正记录位单元中磁性转变图案的弯曲。当沿磁道宽度方向，使场分布线性化时，可减小记录位的磁性转变宽度，从而可降低由于磁性转变图案的弯曲而引起的再现分辨率的恶化程度。通过安装所述记录磁头，可获得记录密度提高的磁盘设备。
附图说明
图1A、1B、1C表示根据本发明的磁盘设备的例子。
图2表示磁头和磁盘之间的关系的例子。
图3示意表示垂直记录。
图4表示磁头结构的另一例子。
图5表示根据本发明的记录磁头的例子。
图6表示记录磁场的等磁场线。
图7表示模拟的记录磁化结构。
图8表示磁层的变化。
图9表示磁层的厚度和等磁场线的曲率之间的关系。
图10表示当存在倾斜时，记录磁道的设置。
图11表示主磁极和磁层之间的距离与等磁场线的曲率之间的关系。
图12表示制造根据本发明的磁头的方法的例子。
具体实施方式
下面参考附图，借助实施例说明本发明。
图1A示意表示了根据本发明的磁盘设备的例子。图1B是磁盘设备的磁头浮动块部分的放大图。图1C是从磁头空气轴承(airbearing)表面观察得到的图1B的磁头部分的放大图。
磁盘设备利用磁头14，执行沿箭头17方向旋转的磁盘11上的磁化信号的记录和再现。磁头14安装在磁头浮动块(slider)13上，磁头浮动块13固定在由旋转致动器15旋转的悬臂12的端部上。磁头14由记录磁头16和再现磁头18构成。再现磁头18包括设置在下防护物(shield)8和上防护物9之间的再现元件7。记录磁头16包括主磁极1、辅助磁极3和朝着主磁极的后侧设置的磁层(屏蔽层)32。
图2示意表示对于垂直磁记录，磁头14和磁盘11之间的关系。在称为锥度(flare)点33的位置，沿磁道方向构成主磁极1的磁层的宽度被减小。主磁极1的锥度点33和空气轴承表面之间的距离34被称为喉部(throat)高度。
图3图解说明了垂直记录的原理。其中流动记录信号的导电薄膜线圈与由主磁极1、辅助磁极3、记录层19和软底层20构成的磁路磁耦合。离开主磁极1的磁场通过磁盘(垂直磁记录介质)的记录层19和软底层20，随后进入辅助磁极3，从而形成磁路，并在记录层19中记录磁化图案(magnetization pattern)。一些情况下，在记录层19和软底层20之间形成中间层。再现磁头的再现元件7采用GMR磁头或TMR磁头。
图4表示了根据本发明的磁头的另一例子，其中相对于磁盘旋转方向17，主磁极1和辅助磁极3之间的位置关系和图3中所示磁头中的主磁极1和辅助磁极3之间的位置关系相反。具体地说，在图3的磁头的记录磁头中，辅助磁极3相对于主磁极1被设置在磁盘的旋转方向的上游(前导侧)，而在图4中所示的磁头的记录磁头中，辅助磁极3朝着主磁极1的后侧(trailing side)设置。在图4的结构中，磁层32可与辅助磁极3结合。也可采用其它结构，例如记录磁头的辅助磁极被再现磁头的上防护物加倍的结构。在记录磁头的任意这些结构中，双层垂直磁记录介质上的记录原理相同。
图5表示了从空气轴承表面观看的根据本发明的记录磁头的例子。记录磁头包括朝着主磁极1的后侧设置的磁层32。磁层32包括朝着主磁极1突出的突出部分32a。突出部分32a的最接近主磁极1的、并和主磁极1后侧侧面平行的侧面的宽度为Nw，该宽度被设置成小于主磁极1后侧侧面的宽度Tww。磁层32可和辅助磁极3结合。
辅助磁极3可设置在主磁极1的前导侧(leading side)，如图3中所示，或者设置在主磁极1的后侧，如图4中所示。另一方面，辅助磁极3既可设置在主磁极1的前导侧，又可设置在主磁极1的后侧。图5表示了辅助磁极设置在后侧的例子。
为了吸入记录磁场，设置了磁层32，于是磁层32的功能不同于辅助磁极，并且在磁头的深度方向上，磁层32厚度必须较小。发明人发现，通过提供磁层32的和主磁极相对的突出部分32a，使得Tww＞Nw，通过主磁极的边缘，位于主磁极中心的磁场可被强烈吸入(drawn in)，从而降低等磁场线的曲率。因为专利文献1和非专利文献1-6中公开的技术在磁道的整个宽度内吸入磁场，它们不能防止等磁场线的弯曲。
参见图6和7，说明发明人进行的三维磁场计算。图6A表示由SPT磁头产生的磁场强度的等磁场线，在所述SPT磁头中，在后侧设置无突出部分的常规结构的磁层。图6B表示由根据本发明，具有图5中所示结构的SPT磁头产生的磁场强度的等磁场线。磁场强度是磁盘记录层的纵向中心的场强。
主磁极的饱和磁通密度为2.2T，几何磁道宽度为160纳米。设置于后侧的磁层的饱和磁通密度为1.0T。附图中的虚线指示主磁极1和与主磁极1相对的那部分磁层32。等值线间隔7.96×104A/m。
图6A和6B的比较表明和常规结构的SPT磁头中相比，在本发明的SPT磁头中，位于后侧的等磁场线的曲率更受抑制。在SPT磁头具有无突出部分的常规结构的磁层(屏蔽层)的情况下，具有1/2最大记录场强的等磁场线和主磁极的后侧位置之间的距离在磁道边缘为83纳米，在磁道中心为94纳米，从而导致11纳米的差值L1。另一方面，就带有根据本发明的突出部分的磁层(屏蔽层)的STP磁头来说，相应的距离在磁道边缘为89纳米，在磁道中心为98纳米，导致9纳米的较小差值L1，并产生更线性的场分布。
图7A和7B表示通过分别利用图6A和6B中所示的两个磁头，计算介质的记录磁化结构(magnetization configuration)获得的模拟图。图7A对应于图6A，指示利用常规结构的SPT磁头获得的记录磁化结构。图7B对应于图6B，指示利用本发明的SPT磁头获得的记录磁化结构。在相同的最大场强条件下，比较各个结构。黑色部分指示沿正方向的磁化，白色部分指示沿负方向的磁化。
可看出和利用常规STP磁头获得的图7A的记录磁化相比，在利用本发明的SPT磁头获得的图7B的记录磁化中，磁性转变更急剧。利用常规结构的STP磁头记录的记录磁化的再现分辨率为27.9％，而当本发明的磁头结构用于记录时获得的再现分辨率为29.6％，从而表示一种改进。从而，根据本发明，可提高再现分辨率，并且能够实现更高密度的磁盘设备。
此外，本发明的磁记录头不仅可应用于双层垂直磁记录介质，而且可应用于具有软底层的其它磁记录介质，仍然能够获得相同的效果。例如，在倾斜非均质介质中，可获得相同的效果。
图8表示了和主磁极相对的磁层的形状的变化。设置在主磁极的后侧，朝着主磁极突出的磁层的突出部分的形状并不局限于图5中所示的矩形。例如，突出部分可具有图8A和8B中所示的形状，使得主磁极1的位于其后侧的侧面中心和磁层32的相对侧之间的距离GL小于主磁极1的位于其后侧的侧面边缘和磁层32的侧面之间的距离GL2。这种情况下，同样可获得如上所述的本发明的相同效果。
为了吸入记录磁场，提供了设置在主磁极1的后侧的磁层32，并且在磁头的深度方向上，磁层必须较薄。图9表示磁层的厚度和等磁场线的曲率之间的关系。水平轴表示磁层的厚度，纵轴表示显示1/2最大记录场强的等磁场线到位于磁道中心的主磁极的距离和到位于磁道边缘的主磁极的距离之间的差值L1。从图9可看出，通过使磁层32的厚度近似等于喉部高度，可减小L1，喉部高度是主磁极1的宽度变窄的锥度点和空气轴承表面之间的距离。从而，本发明中，磁层32的厚度最好小于喉部高度。
在磁盘设备中，主磁极1的后侧侧面不必垂直于磁道方向，可倾斜所谓的倾角α，如图10中所示。即使存在倾角α，与主磁极1相对的突出部分32a的侧面最好也不应沿磁道方向伸到主磁极1的宽度之外，所述突出部分是在后侧与辅助磁极32结合的磁层32的一部分。因此，最好应根据倾角的最大值α，设置主磁极1的后侧面的宽度Tww，磁层32的与主磁极1相对的突出部分32a的侧面的宽度Nw，以及突出部分32a的边缘和主磁极1之间的距离GLE，从而满足下述关系，以使等磁场线线性化。
0.5×(Tww-Nw)≤GLE×tanα
图11表示主磁极和磁层之间的距离与等磁场线的曲率之间的关系。图11的水平轴代表通过利用主磁极的空气轴承表面和软底层之间的距离ATS，使主磁极和与设置在主磁极后侧的辅助磁极结合的磁层之间的最小距离GL标准化获得的数值。图11的垂直轴表示显示1/2最大记录场强的等磁场线到位于磁道中心的主磁极的距离和到位于磁道边缘的主磁极的距离之间的差值L1。L1越大，等磁场线越弯曲。从图11可看出，如果GL较大，那么L1也变大，不可能获得使等磁场线线性化的效果。相反，如果GL太小，L1变大，导致使等磁场线线性化的效果降低。图11指出，在GL/ATS介于0.4～1.5的范围中，L1可降低到10纳米或者更小，可获得使等磁场线线性化的增强效果。
图12表示了从磁头的空气轴承表面的方向观看，制造根据本发明的磁头的过程的例子。
一开始，如图12A中所示，要做成主磁极的无机绝缘膜101，要做成主磁极的磁膜102，要做成间隙的无机绝缘膜103，要做成磁层(屏蔽层)的突出部分的磁膜104，用于化学-机械抛光(CMP)的阻挡膜(stopper)105，和无机绝缘膜106按照上面提及的顺序依次层叠。之后利用移除(lift-off)技术，形成具有所示形状的保护层。随后，如图12B中所示进行离子打磨(milling)，使磁膜102成主磁极的形状。之后，如图12C中所示，形成无机绝缘膜101′，之后借助离子打磨，形成宽度小于主磁极宽度的磁层块(magneticlayer piece)104，如图12D中所示，磁层块104构成设置在主磁极后侧上的突出部分。
随后，如图12E中所示，形成无机绝缘膜101′，之后利用CMP使其平直，如图12F中所示。之后，形成用于形成柱状物的凹槽，以接合主磁极和辅助磁极，并用于在除了存在突出部分的地方之外，形成设置在主磁极的后侧上的磁层，在所述凹槽中形成磁层104′。之后，通过打磨，除去图12F中虚线环绕的部分，从而获得图12G中所示的本发明的磁头结构。
从而，本发明提供一种能够校正记录位单元中，磁性转变图案的曲率的记录磁头。通过安装这种记录磁头，可获得适合于高记录密度的磁盘设备。

Claims (10)

1、一种包含记录磁头的磁头，所述记录磁头包括主磁极和辅助磁极，其中磁层设置在主磁极的后侧，磁层带有朝着主磁极突出的突出部分，其中和主磁极相对的突出部分的侧面的宽度小于主磁极后侧的宽度。
2、按照权利要求1所述的磁头，其中辅助磁极比磁层更远地设置在主磁极的后侧。
3、按照权利要求2所述的磁头，其中磁层和辅助磁极结合。
4、按照权利要求1所述的磁头，其中辅助磁极设置在主磁极的前导侧。
5、按照权利要求1所述的磁头，还包括具有磁阻元件的再现磁头。
6、按照权利要求1所述的磁头，其中磁层沿垂直于磁层的空气轴承表面方向上的厚度小于主磁极的喉部高度。
7、一种磁盘设备，包括：
具有记录层和软底层的盘形垂直磁记录介质；
包括记录磁头和再现磁头的磁头；和
相对于盘形垂直磁记录介质，定位磁头的旋转致动器，其中
记录磁头包括主磁极，辅助磁极和设置在主磁极后侧的磁层，磁层具有朝着主磁极突出的突出部分，其中和主磁极相对的突出部分的侧面的宽度小于主磁极后侧的宽度。
8、按照权利要求7所述的磁盘设备，其中最大倾角α、磁层的与主磁极相对的突出部分的侧面的宽度Nw、主磁极后侧面的宽度Tww和磁层的突出部分和主磁极之间的距离GLE满足关系式0.5×(Tww-Nw)≤GLE×tanα。
9、按照权利要求7所述的磁盘设备，其中主磁极和磁层之间的最小距离GL与主磁极的空气轴承表面和盘形垂直磁记录介质中的软底层之间的距离ATS的比值(GL/ATS)为0.4～1.5。
10、一种制造磁头的方法，所述磁头包括主磁极，辅助磁极和设置在主磁极后侧的磁层，磁层具有朝着主磁极突出的突出部分，其中和主磁极相对的突出部分的侧面的宽度小于主磁极后侧的宽度，所述方法包括下述步骤：
形成层叠薄膜，其中顺序层叠要形成主磁极的第一磁膜、要形成间隙的非磁膜、要形成突出部分的第二磁膜、化学-机械抛光阻挡膜、和无机绝缘膜；
利用移除方法在层叠膜上形成抗蚀图案；
把抗蚀图案用作掩模，借助离子打磨，把第一磁膜加工成主磁极的形状；
在加工成主磁极形状的第一磁膜和形成间隙的非磁膜周围形成无机绝缘膜；和
借助离子打磨，把第二磁膜加工成形成突出部分的磁层块。
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