CN1627369A - 用于测试具有tmr元件的磁头的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种具有通过非破坏性检查来评价TMR元件的隧道阻挡层中的针孔的功能的磁头测试设备。所述测试设备包括：温度控制单元(7)，所述温度控制单元(7)用于设定TMR元件的周围温度；偏压电流控制单元(5)，所述偏压电流控制单元(5)施加用于测量电阻值的电流；元件电阻测量单元(6)以及计算温度系数的CPU(9)。CPU(9)根据温度系数确定隧道阻挡层中的针孔状态。

Description

用于测试具有TMR元件 的磁头的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于通常测试使用隧道磁阻效应元件的磁头的磁头测试设备。本发明特别涉及用于所述元件的隧道阻挡层的非破坏性检查的技术。
背景技术
通常，包含独立地安装在同一个滑动件上的读取磁头和写磁头的磁头被用在磁盘驱动器中。读取磁头是专用于读取磁性地记录在盘媒体上的数据信号的磁头。
近来，适合于获得盘媒体的高记录密度的GMR(巨磁阻效应)元件(也称之为GMR传感器)用于读取磁头。然而，近来磁头等在GMR元件的灵敏性退化方面的问题已变得非常重要。
作为所述问题的对策，人们已经提出了使用新型隧道磁阻效应(TMR)元件(也称之为TMR传感器)作为磁头的方案。
与GMR元件不同，在TMR元件中，感测电流的传导方向是沿相对于膜表面的竖直方向，以使得隧道电流在隧道阻挡层中流动(例如，见美国专利No.5,729,410和美国专利No.5,898,547)。
TMR元件的特性很大程度上取决于极薄的薄膜的隧道阻挡层的质量。特别是在隧道阻挡层中存在针孔的情况下，可观察到击穿电压的下降(例如，见2002年第7期的应用物理学期刊，卷91；4348-4352页，“Dielectric breakdown in magnetic tunnel junctions having anultrathin barrier”Bryan Oliver，Qing He，Xuefei Tang，and J.Nowark(Seagate Techology LLC.))。
“击穿电压”是指在逐步向TMR元件施加电流应力时造成元件毁坏的临界电压。而且，“针孔”是指由于隧道阻挡层的膜形成的不规则性、该过程中的应力等所导致的界面扰动而与金属局部接触的具有存在于隧道阻挡层两侧上的自由层和钉扎(pinned)层的部分。
在隧道阻挡层中存在针孔的情况下，由于针孔部分具有低电阻，因此在隧道阻挡层中流动的电流被集中。已经证实，由于电流集中所产生的局部发热效应会加速对隧道阻挡层的破坏性损伤。因此，为了提高使用TMR元件的读取头的可靠性，对隧道阻挡层中的针孔存在情况的测试是重要的。
概括地，利用破坏测试可确定针孔的存在情况。但是，由于该测试使破坏性测试，因此它不能用于读取头(磁头)的屏蔽测试。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于测试磁头的设备，该设备能够以非破坏性的方式测试TMR元件的隧道阻挡层中的针孔状态。
所述设备包括：用于测量TMR元件的电阻值的测量单元；基于TMR元件的电阻值和周围温度之间的关系计算关于TMR元件电阻值的温度系数的计算单元；以及基于温度系数确定被包括在TMR元件中的隧道阻挡层中的针孔状态的确定单元。
附图说明
附图结合在说明书中并构成说明书的一部分，附图示出了本发明的实施例并且与以上概述和下面给出的实施例的详细描述一起用于说明本发明的原理。
图1是表示本发明的一个实施例的磁头测试设备的构造的框图。
图2是用于说明该实施例的TMR元件的结构的图表；
图3是用于说明该实施例的TMR元件的质量测试方法的图表；
图4是用于说明该实施例的TMR元件的质量测试方法的图表；
图5是表示该实施例的GMR元件的电阻值的温度依赖性的曲线图；
图6是表示相对于该实施例的TMR元件的温度测量电阻值变化的结果的示例的曲线图；
图7是表示相对于该实施例的初始电阻值的温度系数TC的计算结果的示例的曲线图；
图8是表示该实施例的TMR元件的破坏性测试的结果的示例的曲线图；
图9是表示相对于该实施例的TMR元件的初始电阻值的击穿电压的示例的曲线图；
图10是表示该实施例的温度系数TC和击穿电压BDV之间的关系的共线图；
图11是用于说明该实施例的TMR元件的测试方法的步骤的流程图；以及
图12是表示该实施例的盘驱动器的主要部分的框图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的实施例进行描述。
图1是表示本发明的一个实施例的磁头测试设备的构造的框图。
图2是用于说明该实施例的TMR元件(TMR传感器)的结构的图表。
(TMR元件的结构)
该实施例涉及用于磁头(图1中的附图标记2)的磁头测试设备，该磁头包括独立地安装在同一滑动件上的使用作为测试目标的TMR元件的读取头和写头。该测试设备具有确定(评价)TMR元件的隧道阻挡层中的针孔状态(特别是，其存在情况的比率)的作用。
如图2中所示，作为该实施例的测试目标的TMR元件是包括作为基本结构的隧道多层薄膜，所述隧道多层薄膜具有第一铁磁层16和隧道阻挡层15以及与之层叠的作为中间层设置的第二铁磁层14。图2示出了面对盘媒体的表面的表面。
TMR元件具有按照以下顺序层叠的第一防护层11、第一电极层12、钉扎层13、作为第二铁磁层的钉扎层14、隧道阻挡层15、作为第一铁磁层的自由层16、第二电极层17和第二防护层18。
在偏压电流被供给到第二电极层17的情况下，所谓的隧道电流19从作为第一铁磁层的自由层16流到作为第二铁磁层的钉扎层14。TMR元件的优点在于，敏感性不依赖于元件尺寸。另外，由于钉扎层14和自由层16之间存在极薄的隧道阻挡层15，可获得高的MR变化率。
至于TMR元件的工作原理，在相对于薄膜表面沿着垂直方向提供偏压电流的情况下，自由层16的磁化取向根据外部磁场在薄膜表面中被改变，以使隧道电流19的导电性根据相对于钉扎层14的磁化取向的相对角度改变(磁阻效应的产生原理)。
另外，对于TMR元件，可根据自由层16和钉扎层14的每一个铁磁层的极性在理论上计算MR变化率。
(该测试设备的构造)
如图1中所示，该实施例的磁头测试设备包括用于将头组件1设置在测试位置的机构，所述头组件1包括带有作为读取头的TMR元件测试目标的滑动件(磁头)2。这里，测试目标不限于滑动件2，例如在TMR元件的制造过程中它可在晶片状态中被提供。头组件1包括安装在悬挂装置3上的滑动件2和与TMR元件相连的挠性印刷电路板(FPC)4。
另外，测试设备具有偏压电流控制单元5、元件电阻测量单元6、温度控制单元7、存储器8、微处理器(CPU)9和主控制单元(下面它被称为控制器)10。
偏压电流控制单元5是用于控制经FPC4相对于TMR元件进行测量的偏压电流(图2的电流19)的供给的电路。元件电阻测量单元6是用于测量经FPC4供给的TMR元件的电阻的电路。特别是，元件电阻测量单元6基于被供给到TMR元件的偏压电流值和第一电极层12和第二电极层17之间的电势差测量TMR元件的电阻值(即，隧道阻挡层15的电阻值)。
温度控制单元7是用于控制包括作为测试目标的TMR元件的头组件1的周围温度的装置。特别是，温度控制单元7特别包括加热装置和控制装置，诸如加热器、激光器和恒温容器。
CPU9执行TMR元件的测试程序(诸如后面描述的温度系数TC的计算程序)。存储器根据CPU9的控制存储由偏压电流控制单元5获得的偏压电流的电流值、由元件电阻测量单元6测量的电阻值以及温度控制单元7所控制的周围温度的温度值等。
控制器10是用于执行整个测试设备的控制的设备，控制器10基于CPU9输出的测试结果提供TMR元件的最终评价。另外，控制器10根据预定的顺序利用用作现有的磁传感器测试设备的ρ-H测试器、转台等自动地执行测试程序。另外，控制器10在内部存储器中存储温度系数TC的评价条件，诸如偏压电流值和在测试之前由操作者输入的设定温度。
(测量程序的步骤)
下面将参照图11的流程图描述该实施例的TMR元件的测试程序的步骤。
首先，控制器10设定关于偏压电流控制单元5的初始电流值I0(步骤S1)。最好基于电压(V0＝I0×R0)初始电流值I0为300mV或者更小以避免破坏TMR元件(例如，对于300欧姆的元件电阻值为1mA)。
另外，控制器10为温度控制单元7设定初始温度值T0(步骤S2)。这里的温度的定义是利用加热器、激光器、恒温容器等从外部施加到TMR元件的温度(周围温度)。由于初始温度值T0是参考温度，因此最好将其设定为接近室温(例如30℃)以在没有关于设定温度的误差的情况下将TMR元件上载荷限制到最小水平。它被保持直至设定温度和实际温度的差被稳定在“±1℃”的范围内。
在关于TMR元件的周围温度的稳定之后，控制器10通过控制元件电阻测量单元6来测量初始电阻值R0(步骤S3)。CPU9将初始电阻值R0存储在存储器8中。元件电阻测量单元6根据由偏压电流控制单元5施加的初始电流值I0测量TMR元件的初始电阻值R0。这里，电阻的测量精度最好为1％或者更小。
下面，控制器10在温度控制单元7中设定不同于初始温度值T0的温度值Tn(n＝1)(步骤S5)。设定温度值T1可高于或者低于初始温度值T0。但是，由于较高温度的侧面包含元件劣化的危险，因此它最好为200℃或者更小。
在利用温度控制单元7使得温度稳定后，元件电阻测量单元6根据由偏压电流控制单元5施加的初始电流值I0测量TMR元件的电阻值R1(步骤S6)。
下面，通过重复步骤S5至S8的程序，控制器10最终执行n次温度设定和电阻值Rn的测量(步骤S8的YES)。CPU9利用由测量程序存储在存储器8中的测量值(R0至Rn)和温度值(T0至Tn)计算关于TMR元件电阻的温度系数TC(步骤S9)。
(温度系数TC)
特别是，CPU9利用下面所述的公式(1)计算温度系数TCn。下面所述的公式(1)是计算回归线的梯度的公式。
Figure A20041009584200091
                                           (公式1)
其中， T和 R分别表示设定温度的平均值和电阻的平均值。
温度设定和电阻测量的次数n最好大，因为这可提高测量数据的可靠性。温度T0至Tn的设定范围最好宽，并且在不会造成TMR元件劣化的范围内。
如图2中所示，CPU9确定TMR元件的隧道阻挡层15的质量(针孔状态)(步骤S10)。下面将参照图3至图10描述用于隧道阻挡层15的特定的确定标准和质量确定(评价)方法的原理。
图3和图4是用于说明TMR元件的质量变化的状态的概念图表。
如图3中所示，具有包括自由层32、隧道阻挡层33和钉扎层34的多层结构的TMR元件具有根据周围温度升高而降低的电阻值R。附图标记31表示隧道电流。
根据电阻值R的减小，温度系数TC变为“TC＜0”。在这种状态下，如图4中所示，隧道阻挡层33的界面被干扰以使上下设置的自由层32和钉扎层34金属接触。局部金属接触部分被称为针孔。
在这样一个针孔形成在隧道阻挡层33中的情况下，由于形成隧道电流31和针孔电流41的并联电路，因此电阻值整体降低。另外，由于针孔部分是金属，因此电阻值根据温度升高而增大。因此，温度系数TC变为“TC＞0”。
图5是表示具有与针孔部分相同的金属特性的CMR元件的电阻值的温度依赖性的特征图。如图4中所示，在隧道阻挡层33中的针孔增加的情况下，针孔部分的正温度系数TC特征偏离隧道阻挡层33的负TC特征。温度系数TC从负值变为正值。因此，可利用温度系数TC的趋势推测产生在隧道阻挡层33中的针孔的存在情况比率。
图6表示在该实施例测试方法中相对于TMR元件的温度测量电阻值变化(电阻的温度依赖性)的结果的示例。在图6中，横坐标轴线表示温度T，纵坐标轴线表示在30℃下关于初始电阻值R0标准化的电阻值。
在图6中，在初始电阻值R0为345欧姆的情况下的试样60、在初始电阻值R0为251欧姆的情况下的试样61和在初始电阻值R0为123欧姆的情况下的试样62的每一个温度依赖性特征是特定示例。这里，测量条件是0.2mA初始电流I0，30℃的初始温度T0以及60、90、120和150℃的设定温度。
如图6中所示的，在试样60到62的顺序下，在较小初始电阻值R0的情况下与温度系数TC相对应的图表的直线的梯度变得陡峭。因此，如图3中所示的，试样60接近于完整隧道阻挡层33。相反，在试样60、62的情况中，隧道阻挡层中的针孔比率较大的增加以便于接近于图4中所示的状态。
图7示出了相对于初始电阻值R0通过上述公式(1)计算的温度系数TC的结果的示例。如图7中所示的，初始电阻值越小，温度系数就越从负值接近于正值。从这个结果中，可以证实，温度系数TC为精确地表示隧道阻挡层中的针孔比率的指标。
(击穿电压BDV)
接下来，将描述根据击穿电压BDV测试TMR元件的非破坏性的耐久性的方法。
CPU9从所计算的温度系数TC中计算(推测)击穿电压。如上所述的，击穿电压是指在逐步向TMR元件施加应力电流Ib时造成元件毁坏的临界电压。可以证实在隧道阻挡层中存在针孔的情况下击穿电压BDV变得较低。
图8示出了TMR元件的破坏性测试的结果的示例。在图8中，横坐标轴表示应力电流Ib，纵坐标轴表示相对于初始电阻值进行标准化的电阻值。这里所示的电阻值是在30℃的设定温度和0.2mA初始电流I0的测量条件下施加应力电流Ib之后所测量的数值。
如图8中所示的，关于试样80，电阻值R随着应力电流Ib增加而适度地减小并且在3.3mA的应力电流Ib附近急剧地减小。关于试样81，电阻值从1.3mA的应力电流Ib开始减小并且随着应力电流Ib的增加而逐步减小。
在图8中，通过隧道阻挡层中针孔存在比率确定试样80、81的特征。也就是说，在隧道阻挡层中不存在针孔或者针孔存在比率较小的情况中，阻挡层类型的破坏行为急剧恶化得超过了某一临界电压(3.3mA的应力电流Ib附近)，如试样80的情况中那样。
相反，在隧道阻挡层中针孔存在比率较大的情况中，由于电流集中在针孔部分中，因此电流密度增加从而导致焦耳热的破坏。而且，由于该破坏行为，针孔被增大并且随着应力电流的增加继续传播，从而示出的阶式的TMR元件恶化(电阻减小)的趋向，如试样81的情况中那样。因此，可以证实，在隧道阻挡层中针孔存在比率较大的情况中，隧道阻挡层的耐电压性(BDV)变得极低。
图9示出了相对于TMR元件的初始电阻值的击穿电压(BDV)的示例。在图9中，横坐标轴表示初始电阻值，而纵坐标轴表示击穿电压(BDV)。击穿电压(BDV)最好被限定为在电阻值相对于初始电阻值恶化15％或更多时的数值。
如上所述的，如果在隧道阻挡层中不存在针孔或者针孔存在比率较小的情况中，阻挡层类型的破坏行为急剧恶化得超过了某一临界电压，如图8的试样80的情况中那样(附图标记91)。阻挡层类型破坏91表示在击穿时每0.1mA的电阻值的最大恶化比率的50％或更大的情况中的行为。与之相反，由于来自于针孔中的破坏(附图标记90)随着较小的初始电阻提升的话，BDV变得更低。这里，示出了阻挡层类型破坏的试样指示出500mV或更多BDV和更高的耐电压性，从而在可靠性方面是出色的。
图10是示出了温度系数TC和击穿电压BDV之间的关系的特征图(阻挡层类型特征100和针孔类型特征101)。
如图10中所示的，TC和BDV具有非常好的相互关系。因此，在没有破坏TMR元件的风险下，仅通过测量温度系数TC，不仅可确定针孔的存在，而且还可预测(估计)BDV。在这种情况中，确定隧道阻挡层的质量控制“合格”水平的标准为“TC＞-0.03％/℃”。而且，在“TC＞-0.03％/℃”的情况下，隧道阻挡层可具有“BDV＞500mV”的耐久性。
(盘驱动器的结构)
图12是示出了本实施例的TMR元件作为读取头20A安装于其上的磁头2的主要部分以及储存有具有TMR元件测试功能的微处理器(CPU)127的盘驱动器的框图。
本实施例的盘驱动器包括固定于主轴马达(SPM)121、准备在高速下转动的盘120，以及头2安装于其上的致动器122。头2具有安装于其上的读取头20A和写头20B。
音圈马达(VCM)123的驱动力可转动地驱动致动器122以便于使得头2沿盘120的径向方向(radial)移动。从包含在马达驱动器IC 129中的VCM驱动器129A中供应用于VCM123的驱动电流。包含SPM驱动器129B与VCM驱动器129A的马达驱动器129受CPU127的控制。
而且，盘驱动器包括前置放大器电路124、R/W信道125、盘控制器(HDC)126、CPU127和存储器128。
除用于放大从读取头20A中输出的读出信号的读出放大器之外，前置放大器电路124还包括用于供应将被提供到写头20B的线圈的记录电流的记录放大器124A。
R/W信道125为用于处理读/写数据信号的信号处理IC。HDC 9具有用于驱动器和主系统140(诸如个人电脑或数字装置)的接口功能。
作为所述驱动器的主控制装置的CPU127具有该实施例的TMR元件(读取头20A)的测试功能。除用作用于储存CPU127的控制和测试程序所需的程序和数据的非易失性存储器的闪速存储器(EEPROM)110之外，存储器128还包括RAM、ROM等。而且，所述驱动器还具有用于感测驱动器中的温度的温度传感器130。CPU127根据来自于温度传感器130的温度检测而监控所述头2的周围温度。
CPU127主要根据图11中所示的TMR元件的测试方法的步骤执行读取头20A的TMR元件的温度系数TC和击穿电压BDV的确定(估计)。作为元件电阻测量单元6，CPU127利用从包含在前置放大器电路124中的读出放大器中输出的读出信号。
而且，作为偏压电流控制单元5，CPU127利用包含在前置放大器124中的偏压电流控制电路。也就是说，根据CPU127的控制，前置放大器124向TMR元件供应用于进行测量的偏压电流(图2中的电流19)。CPU127利用从读出放大器中输出的读出信号测量TMR元件的电阻值(从狭义上来讲，隧道阻挡层15的电阻值)。
而且，作为温度控制单元7，CPU12通过控制记录放大器124A向写头20B的线圈提供记录电流而控制读取头20A(TMR元件)的周围温度。
盘驱动器无需储存用于实现测试功能的所有配置，并且CPU可仅执行测试程序。在这种情况中，可使用如下的配置，即用于提供与盘驱动器外部的元件电阻测量单元6和温度控制单元7相对应的装置并且用于执行电阻测量和盘驱动器外部的TMR元件的温度设定。与温度控制单元7相对应的装置是指加热器、激光器、恒温容器等。在通过这样的盘驱动器的测试方法的情况中，可省略图1中所示的专用测试装置。
如前面所述的，依照本实施例的头测试方法，通过计算或测量包含读取头的TMR元件的温度系数TC和击穿电压BDV，通过非破坏性检查可测试出隧道阻挡层中针孔(疵点部分)的存在。
换句话说，可通过非破坏性测试方法测试出包含在TMR元件中的隧道阻挡层中所产生的针孔的状态(针孔比率等)。
因此，可有效并且精确地测试TMR元件的质量，因此可预先将具有质量缺陷的TMR元件筛选出来。而且，本实施例的测试方法可被引入到TMR元件的运输测试程序中，所述TMR元件作为产品或TMR元件安装于其上的盘驱动器。
本领域中普通技术人员可容易地理解其他优点和修正。因此，从其广义方面来说本发明不局限于文中所示和所描述的具体细节和代表性实施例。因此，在不脱离所附权利要求及其等价物所限定的主要发明概念的精神和保护范围的情况下可作出各种修正。

Claims (11)

1.一种用于测试磁头的设备，所述磁头包括隧道磁阻效应元件(TMR元件)，其特征在于，所述设备包括：
测量单元(6)，该测量单元用于测量TMR元件的电阻值；
计算单元(9)，该计算单元基于TMR元件的电阻值和周围温度之间的关系计算关于TMR元件电阻值的温度系数；以及
确定单元(9)，该确定单元基于温度系数确定被包括在TMR元件中的隧道阻挡层中的针孔状态。
2.依照权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
单元(9)，所述单元(9)根据温度系数计算TMR元件的击穿电压，其中，
所述确定单元基于击穿电压评价隧道阻挡层的特征。
3.依照权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
温度控制单元(7)，用于控制TMR元件的周围温度。
4.依照权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
电流控制单元(5)，用于通过利用包含在TMR元件中的电极层向隧道阻挡层提供偏压电流，其中，
所述测量单元根据电流控制单元(5)所提供的偏压电流测量隧道阻挡层的电阻值。
5.依照权利要求1所述的设备，其特征在于，所述TMR元件具有隧道多层薄膜，所述隧道多层薄膜具有设在第一铁磁层和第二铁磁层之间的作为中间层的隧道阻挡层的结构。
6.包括磁头(2)的盘驱动器，所述磁头(2)具有使用隧道磁阻效应元件(TMR元件)的读取头以及用于根据线圈中提供的记录电流产生记录磁场的写头，并且所述磁头(2)执行针对盘媒介的数据读取操作或写入操作，所述盘驱动器的特征在于，还包括：
控制器(127)，该控制器用于在用以计算相对于TMR元件电阻值的温度系数的测试程序时，通过控制将被供应到写头线圈的电流而控制TMR元件的周围温度。
7.依照权利要求6所述的盘驱动器，其特征在于，所述盘驱动器还包括：
测量单元(127)，所述测量单元(127)通过向TMR元件提供电流而测量TMR元件的电阻值；
单元(127)，所述单元(127)根据TMR元件周围温度的电阻值之间的关系计算相对于TMR元件电阻值的温度系数；以及
确定单元(127)，所述确定单元(127)根据温度系数确定包含在TMR元件中的隧道阻挡层的针孔状态。
8.依照权利要求7所述的盘驱动器，其特征在于，所述盘驱动器还包括：
单元(127)，所述单元(127)根据温度系数计算TMR元件的击穿电压，
其中，所述确定单元根据击穿电压评价隧道阻挡层的特征。
9.一种测试包括隧道磁阻效应元件(TMR元件)的磁头的方法，所述方法的特征在于，包括：
设定TMR元件的周围温度；
通过向TMR元件提供电流而测量TMR元件的电阻值；
根据TMR元件的电阻值与周围温度之间的关系计算相对于TMR元件电阻值的温度系数；以及
根据温度系数确定包含在TMR元件中的隧道阻挡层的针孔状态。
10.依照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述确定，根据温度系数计算TMR元件的击穿电压，以便于根据击穿电压评价隧道阻挡层的特征。
11.依照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算温度系数，在分别多次执行TMR元件的周围温度的设定和电阻值的测量之后，使用设定值和测量值计算温度系数。
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