CN1697023A - 平面型垂直记录头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于垂直记录的不需要研磨的磁头(滑块)。磁头具有平行于晶片表面的气垫面。线圈和极片由平行于气垫面设置的薄膜形成。可以使用标准光刻技术来限定形状、缝隙和极片尺寸。可以形成非直线形状，例如与写极片区域周围一致的侧屏蔽件。主极和返回极的厚度由沉积工艺而不是研磨控制。用来将各个滑块与晶片其余部分分离的锯切垂直于气垫面，并且不经过任何重要部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于垂直记录的磁薄膜头，特别涉及这种磁头中使用的磁极片和屏蔽件、以及使用这种磁头的存储装置。
背景技术
在常见的现有技术磁盘记录系统中，包括磁换能器(magnetic transducer)的滑块由悬架(suspension)支撑着在磁盘之上飞行，磁换能器用来读出和写入磁转变(magnetic transition)，心轴电机(spindle motor)使磁盘旋转。磁盘包括多层薄膜以及至少一层铁磁性薄膜，在铁磁性薄膜中，记录(写入)头记录磁转变，信息被编码在磁转变中。介质中的磁畴可以纵向或垂直地被写入。利用薄膜加工技术，将滑块的读出和写入头部分构建为多层。通常，先形成读出头，但也可以先制造写入头。传统的写入头是感应式的，而读传感器是磁阻式(magnetoresistive)的。
在使用垂直记录的磁盘驱动器中，记录头设计成能引导磁通量在垂直于磁盘平面的方向通过记录层。通常，用于垂直记录的磁盘具有硬磁记录层和磁性软衬层。在使用单极型磁头的记录操作期间，磁通量被引导从记录头的主极垂直地通过硬磁记录层，然后进入软衬层平面并回到记录头中的返回极。主极片(main pole piece)和相关屏蔽件的形状和尺寸是决定磁道宽度的主要因素。
Nakamura等人的美国公开的申请2003/0151850中描述了一种具有下行轨(down-track)主极的单极磁头。主极由至少两部分构成，其中第一部分的宽度在介质移动方向从上行轨(up-track)侧到下行轨(down-track)侧持续增加，第二部分的宽度与在介质移动方向上的第一部分的下行轨边缘的宽度相同，并且第二部分的宽度在介质移动方向从上行轨侧到下行轨侧保持不变。这样据说是为了防止记录磁场强度在磁道边缘下降，并增加有效磁道宽度，同时抑制旁侧写入(side-writing)，因此实现具有高磁道密度的磁记录盘装置。
授权给Mallary等人的美国专利RE33,949中描述了一种用于垂直记录的单极磁头，它包括所谓的“下游屏蔽件(downstream shield)”(下行轨：down-track)，“下游屏蔽件”在后面被连接到写入极，并在气垫面(air bearingsurface：ABS)处与写入极分开一小缝隙。屏蔽件的ABS面设计成为写入极截面的面积的很多倍，这样磁通量返回截面起到磁屏蔽的作用。来自写入极尖的磁通量密度足够来实现垂直记录，而进入下游磁屏蔽件的磁通量密度很低，这样先前记录的模式没有被翻转或弱化。
在制造薄膜磁换能器的常规工艺中，在晶片上同时形成大量换能器。基本结构形成后，晶片被锯成行或单个的换能器。虽然锯是把晶片分成单个滑块的常用方法，近来利用含氟等离子体的反应离子刻蚀(RIE)或深度反应离子刻蚀(DRIE)已被使用。晶片切割时暴露出来的、滑块的垂直于晶片表面的表面最后形成滑块的气垫面(ABS)。锯平面的不确定性产生磁条高度的不可接受的变化，如果不修正的话它会导致磁性能上不能接受的变化。现有技术中使用研磨工艺来实现纳米范围内的磁条高度控制。对于具有后屏蔽件(trailing shield)的垂直记录磁头，后屏蔽件的厚度也由研磨工艺的终点决定。
研磨后，磁换能器的ABS上形成通常称为“轨道(rail)”的构造。传统上轨道用来决定滑块的空气动力学特性，并在换能器接触旋转的或静止的介质时作为接触面。
现有技术中，ABS处的极片形状限定在与晶片表面垂直的横截面内。现在需要的是无需研磨即可制造并且具有光刻限定的ABS处的极片形状的磁记录头。
发明内容
将描述一种用于垂直记录的不需要研磨的磁头(滑块)。该磁头具有平行于晶片表面的气垫面。线圈和极片由平行于气垫面设置的薄膜形成。可以使用标准光刻技术来限定形状、缝隙和极片尺寸。可以形成非直线形状，例如与写极片区域周围一致的侧屏蔽件。主极片和返回极片的厚度由沉积工艺而不是研磨控制。用来将各个滑块与晶片其余部分分离的锯切垂直于气垫面，并且不经过任何重要部件。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的磁头的选定组件的等距视图(isometricillustration)。
图2(a)示出根据本发明一实施例的具有后屏蔽件的写入头的垂直于晶片表面的中线截面。
图2(b)示出从晶片表面也就是ABS观察到的图2(a)所示的磁头组件之间的关系。
图3(a)示出根据本发明一实施例的具有单探针尖的写入头的垂直于晶片表面的中线截面。
图3(b)示出从晶片表面也就是ABS观察到的图3(a)所示的磁头组件之间的关系。
图3(c)示出根据本发明一实施例的具有单探针尖的写入头的垂直于晶片表面的中线截面，该单探针尖没有与连接极片的内部对齐。
图4(a)示出根据本发明一实施例的具有后屏蔽件和侧屏蔽件的写入头的垂直于晶片表面的中线截面。
图4(b)示出从晶片表面也就是ABS观察到的图4(a)所示的磁头组件之间的关系。
图4(c)示出根据本发明一实施例的写入头的垂直晶片表面的中线截面。
图5示出根据本发明的具有梯形极尖的实施例的后屏蔽件和侧屏蔽件的ABS放大视图。
图6示出从ABS观察的根据本发明一实施例的写入头和读出头的前后排列。
图7是根据本发明制造的具有多个磁头的晶片的切割线的等距视图。
图8是根据本发明的磁头的一实施例的与ABS相反的底表面的图。
具体实施方式
这里所描述的磁头的各种实施例不需要研磨。为了实现这种磁头设计，写入头和读出头必须集成在制造工艺中，该工艺中晶片表面及根据本发明的磁头中的薄膜层平行于ABS。制造磁头的现有技术方法中，薄膜沉积在晶片表面并且当然与晶片表面平行，但是晶片及所述薄膜被切割从而暴露薄膜的边缘。现有技术的包括研磨在内的ABS加工在暴露的边缘上进行并且最终的ABS垂直于所述薄膜平面取向。相反，根据本发明，ABS在晶片上面，并且用来将磁头与晶片上多个其他磁头分开的切割在垂直于ABS的四侧的非功能性材料中进行，如图7所示。示出了大量磁头(或滑块)20被沉积在晶片表面上后的晶片17。标注了M的线代表晶片17中的来将磁头20与晶片17分离开的切割。线K、J、P、Q、R和S标记了未来的切割线。每个磁头20具有平行于ABS制造的读出头30和写入头40，ABS也就是晶片17的上表面。图7中的元件并不符合比例，因为如本领域技术人员所清楚的那样，相对于磁头20，读出头30和写入头40的实际尺寸比图中所示的要小很多。读出头30和写入头40在磁头20上的位置也不具有代表性。优选地读出头30和写入头40位于非常接近边缘的地方，当磁头20安装在磁存储装置中时该边缘将是磁头20的后缘。因为根据本发明的工艺中不需要研磨，读出头和写入头在“z”方向上不需要严格对齐(critical alignment)。因为重要结构是通过沉积的厚度形成而不是通过机械去除材料形成，所以减小了“z”方向上对齐的需要。但是，对于所有磁头，相对于写缝隙中心线位置的读传感器中心线位置确实依赖于对齐，而这是通过光刻达到的。现有技术方案中，需要“z”方向上读出头和写入头对齐，因为研磨的终点决定读传感器的最终磁条高度，以及写入头中的临界尺寸(critical dimension)。但是，垂直记录磁头中，对于在读传感器和写入头中同时形成精确尺寸，现有技术ABS加工难以有效。例如，在一些垂直磁头方案中，读传感器顶部必须参照后屏蔽件型返回极片的顶部，而且研磨同时减小后屏蔽件厚度和磁条高度，这使得难以精确控制两者尺寸。根据本发明的工艺中，包括读传感器和后屏蔽件的顶部的ABS的平坦化可以通过简单的平坦化步骤完成，例如化学机械平坦化(CMP)，并且后屏蔽件和传感器厚度由薄膜沉积而不是研磨决定。另外，本发明可以制造简单单极磁头，其中极尖(pole tip)的形状通过离子研磨和光刻形成。
构造具有平行于ABS形成的返回极片或屏蔽件的垂直记录头(即，将磁头设计与平行于晶片加工表面的ABS结合)的优点包括：
1.屏蔽件和传感器厚度的控制由沉积而不是研磨决定。
2.写缝隙由光刻步骤控制。
3.重要ABS构造的形状由使用薄抗蚀剂而不是厚抗蚀剂结构的光刻来控制。
4.重要元件的对齐由光刻控制。
5.与主(写)极周围相一致的非直线屏蔽件形状可以光刻形成。
对于根据本发明的磁头20的概观，参照图1，其为去掉了覆盖层和衬底的选定元件的立体图(isometric illustration)。此实施例是后屏蔽设计。图不符合比例，因为大的尺寸范围将使之不清楚。除了下面注明的地方外，相对尺寸根据现有技术确定，并且对本领域技术人员来说是明显的。图1中指明的X和Y轴平行于晶片表面，Z轴垂直于晶片表面。预定介质移动方向在图中是沿着Y轴从左到右。本实施例中相对于介质移动方向读出头30和写入头40并排设置。本发明使用引线焊盘(lead pad)61、62、63、64，它们设置在磁头20的底部上，所述底部也是制造期间晶片的底部。注意，读出头30和写入头40不但可以并排放置，也可以前后放置，即顺着磁道。因此，引线焊盘61、62、63、64在晶片底部上，这也示于图8。读出头30和写入头40形成在晶片的上表面上。电连接器71、72、73、74穿过晶片从顶部延伸到底部，也就是在Z轴方向，从而将读出头30和写入头40连接到引线焊盘61、62、63和64。制造用于电连接器71、72、73、74的例如200μm的较深的通孔的一种方法是使用进入到硅体中的深度RIE。可以用铜填充通孔从而形成连接。写入头40中的线圈46连接到电连接器73、74，后者又连接到引线焊盘63、64上。线圈46由导电材料制成并且可以是螺旋形的(spiral)或螺旋状的(helical)。在制造过程中，单层线圈可在单个光刻步骤限定，因为这里匝(turn)在晶片表面上是共面的。虽然图中只示出了三匝，根据已知原理线圈也可以有其他数目的匝。写入头40中的电磁体的轭包括轭背41，它由铁磁材料制成并在线圈46之前形成。本实施例中轭背41是直线型的，具有两个平行于晶片表面延伸的最长尺寸。除了特别指出的地方外，轭背的尺寸和磁头其他结构的尺寸一起，可以根据现有技术原理确定。为特定实施例中的结构所给的尺寸不应该被作为对本发明的限制。作为一个示例，轭背(41)可以制成大约1μm到2μm厚(Z方向)、2μm到20μm宽(X方向)和10μm到30μm长(Y方向)。轭背41可以通过电镀或真空沉积形成。它可以用铁磁材料和绝缘材料的交替层叠成。在轭背末端垂直极片42、45从轭背沿着线圈46的侧面朝ABS延伸。内垂直极片45穿过线圈46内部延伸，优选地制得比外垂直极片42更厚(Y方向)，因为是内垂直极片45位于返回磁通路径中。本发明的各种实施例可以有不同的极片尖，这将在下面更清楚地看到，但是在图1所示的实施例中，外垂直极片42具有设置在顶端—即更接近ABS—的主极片43。主极片43优选地由高磁矩铁磁材料制成，该材料可以和用于轭片41、42、45的材料不同。在X、Y尺寸上主极片43优选地比外垂直极片42小，从而集中写通量。返回极片44设置在内垂直极片45之上。返回极片44的厚度作为图2中的薄膜的厚度由虚线和箭头标明。应该注意的是，返回极片44和主极片43沉积至基本相同的厚度并且实际上优选地同时沉积。薄膜平面被标出并平行于ABS。在图1所示的实施例中返回极片44比内垂直极片45窄(X方向)，但是比内垂直极片45明显宽(Y方向)。在Y方向上返回极片44从内垂直极片45向主极片43延伸，从而降低写缝隙的宽度。在写缝隙处，主极片43和返回极片44的对着的表面宽度相近(X方向)。返回极片44的在平行于ABS的平面(X-Y)内的面积比主极片43大很多，从而降低返回磁场的强度。本实施例中，主极片43的内表面，也就是面对着写缝隙的表面，和外垂直极片42的内表面共面。如将要看到的，在其它实施例中，返回极片和主极片可以以其它方式成形和定位。
读出头30基本独立于写入头40。读出头和写入头可以相对于彼此和磁道方向平行或前后排列，并且他们之间没有电连接。用于读出头的引线焊盘61、62方便地放置在与用于写入头的引线焊盘63、64相同的平面中。同样的，传感器31方便地设置在与主极片43大致相同的平面中。根据本发明的写入头40可以和具有传感器结构的各种读出头结构一起使用，该传感器结构是平的，具有平行于晶片表面的膜层。
常规ABS构造(feature)(未示出)可以在晶片水平面处以RIE形成到例如二氧化硅的覆盖层(overcoat)内，该覆盖层可以在读出头和写入头的部件形成后沉积。
图2(a)示出了图1的写入头40的垂直于ABS截取的截面。图中示出了包围写入头结构的体材料39。通常将磁性元件与空气和介质表面隔开的覆盖层未示出。这个视图中，可以看出主极片43和外垂直极片42的内表面共面这一事实。也要注意的是，外垂直极片42优选地比内垂直极片45更薄，因为内垂直极片45是磁通量返回磁路的一部分。
已经描述了垂直写入头，其中关键极构造和返回极构造定义在晶片表面也就是ABS面上。这允许返回屏蔽件的厚度控制可以由沉积而不是研磨控制。这也允许ABS上通过薄层材料的光刻和简单离子研磨形成的返回屏蔽件及主极的形状控制。图2(b)示出图1的写入头40的ABS视图。内垂直极片45和外垂直极片42由虚线示出，因为他们从ABS凹进。
图6示出本发明一实施例的ABS视图，除了读出头和写入头一前一后排列外，其与图1的相似。根据本发明设计，读出头和写入头的并排或一前一后排列都可以。
图3(a)和3(b)示出根据本发明的写入头40A的供选的单探针极尖(singleprobe pole tip)实施例。图3(a)示出写入头40A的垂直于ABS截取的截面。图3(b)示出写入头40A的ABS视图。写入头40A的供选的实施例和写入头40的不同在于，写入头40A中省略了返回极片44。为了补偿返回极片的缺少，在内垂直极片45之上沉积附加增量45A，这实质上使它更高。附加增量45A可以由和内垂直极片45相同的材料制成，或由更高磁矩的材料制成。极尖43不需要和极片42的内缘共面，这示于图3c所示的实施例中。
图4(a)和4(b)示出根据本发明的写入头40A的供选的侧屏蔽件实施例。图4(a)示出写入头40S的垂直于ABS截取的截面。图4(b)示出写入头40S的ABS视图。侧屏蔽件沿着主极片43的侧面延伸，其是侧屏蔽返回极片44S的组成构造，因为尺寸小，在图4(b)中未单独标注。和其他侧屏蔽件设计一样，它的目的是为了减少侧写(side writing)。为了改善写入头40S的可制造性，在外垂直极片42的顶上形成主支座(standoff)48。主支座48和主极片43形状相同，其比外垂直极片42小很多。主支座48的具有，在外垂直极片42和侧屏蔽返回极片44S的侧屏蔽件部分之间产生了间隙区(clearance region)。在内垂直极片45之上形成相匹配的返回支座47来实际上增加内垂直极片的高度，从而侧屏蔽返回极片44S和内垂直极片45相连接。极尖43或支座48都不必需和极片42的内缘共面，如图4c的实施例所示。另外，极尖(poletip)43和支座48的内缘和外缘不必需共面。特别地，极片43的长度(图1中Y方向)可以比支座48的长度短。图4c示出了这种情况。
图5示出写入头40B的供选实施例，它包括侧屏蔽和后屏蔽两者，并包括有梯形极尖形状43T。从ABS观察到的写入头40B的视图。如从ABS看到的，本实施例中，主极片43T形状是梯形的。梯形的底边设置为最接近返回极片44S。梯形主极片43T是可用于根据本发明的任何写入头实施例中的优选实施例。
根据本发明的磁头可以使用标准薄膜制造技术制造。但是，可以用新的方式来使用一些标准技术。例如，根据本发明的磁头中的写缝隙可以由光刻和消去加工(subtractive processing)(研磨或RIE)确定。主极片和返回极片在相同薄膜平面内形成；因此，写缝隙可以由用来形成这些磁结构的光刻确定。在具有侧屏蔽件的实施例中，类似地控制侧间隙。实际上，在根据本发明的磁头中，ABS处的包括读传感器的所有部件的严格的形状、位置和尺寸，都可以类似地利用全部可用的薄膜制造技术通过光刻来确定。
已经参照特定实施例描述了本发明，但是对本领域技术人员来说，本发明的铁磁性结构的其他用途和应用是显而易见的。
Claims (15)
1.一种薄膜磁记录头，用于与磁记录介质一起使用，包括：
写入头，包括：主极片，其设置在气垫面处，由平行于衬底表面和所述气垫面设置的薄膜形成在第一薄膜平面内；以及返回极片，设置在所述第一薄膜平面内，由平行于衬底表面和所述气垫面设置的薄膜形成在第一薄膜平面内。
2.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中所述写入头还包括：
第一垂直极片；
第二垂直极片；以及
环绕所述第一或第二垂直极片的导电材料线圈；
其中，所述主极片设置在所述气垫面处所述第一垂直极片上，所述返回极片设置在所述气垫面处所述第二垂直极片上。
3.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中用于所述主极片和所述返回极片的材料同时沉积在一薄膜中。
4.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中所述主极片的内表面和所述第一垂直极片的内表面共面，并且所述内表面分别面对所述返回极片和所述第二垂直极片。
5.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中所述返回极片的面向所述气垫面的表面的面积比所述主极片的面向所述气垫面的表面的面积大。
6.如权利要求2的薄膜磁记录头，其中所述返回极片延伸超出所述第二垂直极片的朝向所述主极片的边缘。
7.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中所述返回极片是沉积在平行于所述气垫面的平面内的具有垂直于所述气垫面测量的厚度的薄膜结构。
8.如权利要求1的薄膜磁记录头，其中所述气垫面具有四条垂直于所述气垫面延伸的切边，没有切边经过所述主极片。
9.一种薄膜磁记录头，用于与磁记录介质一起使用，包括：
支撑平行于气垫面设置的薄膜的衬底；
包括第一和第二垂直极片的轭；
环绕所述第一或第二垂直极片的导电材料线圈；
铁磁材料的主支座，其设置在所述气垫面处所述第一垂直极片上；
设置在所述主支座上的主极片；
铁磁材料的返回支座，其设置在所述气垫面处所述第二垂直极片上；以及
返回极片，其设置在所述气垫面处所述返回支座上。
10.如权利要求9的薄膜磁记录头，其中所述主极片具有与所述主支座的内表面共面的内表面，所述内表面分别对着所述返回极片和所述返回支座，并且从面向所述第二垂直极片的所述第一垂直极片的内表面缩进；并且其中所述返回极片超出所述第二垂直极片的内缘向所述主极片延伸，从而使所述主极片和所述返回极片之间的缝隙变窄。
11.如权利要求10的薄膜磁记录头，其中所述返回极片具有后屏蔽件及从所述气垫面观察设置在所述主极片的第一和第二侧的第一和第二侧屏蔽件。
12.如权利要求9的薄膜磁记录头，其中所述主极片和所述主支座的内表面与所述第一垂直极片的内表面共面，所述内表面分别面对所述返回极片、所述返回支座和所述第二垂直极片。
13.如权利要求12的薄膜磁记录头，其中所述返回极片具有第一和第二侧屏蔽件，从所述气垫面观察所述侧屏蔽件设置在所述主极片的第一和第二侧。
14.如权利要求13的薄膜磁记录头，其中所述第一和第二侧屏蔽件是与主极片外围相一致的非直线形状。
15.如权利要求9的薄膜磁记录头，其中所述主极片的垂直于所述气垫面的表面从所述第一垂直极片的垂直于所述气垫面的表面凹进。
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