CN1983391A - 小闪光场、零偏置和非反应离子研磨的集成 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造磁写头的方法，其提供改善的极临界尺寸控制例如改善的道宽控制(改善的西格玛)和改善的展开点控制。该方法包括几种工艺改进的结合，例如使用零印偏置光刻构图P2极尖定义光致抗蚀剂框架以及还使用小闪光场。该方法还包括非反应离子蚀刻的使用从而利用第二极(P2)作为掩模对第一极(P1)开切口。

Description

小闪光场、零偏置和非反应离子研磨的集成
技术领域
本发明涉及用于在磁数据记录系统中使用的窄道宽(track width)写头的制造，尤其涉及允许临界尺寸公差控制的制造方法。
背景技术
计算机的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形磁道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。当盘不旋转时，悬臂偏置滑块接触盘表面，但是当盘旋转时，空气被旋转盘旋动。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁印(magnetic impression)到旋转盘且从旋转盘读取磁印。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头包括嵌在第一、第二和第三绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，极片层在背间隙(back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其导致磁场在ABS处在写间隙弥散出来，用于在移动介质上磁道中写上述磁印，例如在上述旋转盘上环形磁道中。
在近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文中称为间隔层(spacer layer)的非磁导电层，其被夹在下文中称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩位于平行于ABS但可以响应于外磁场而自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合来被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此设置，部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。当被钉扎层和自由层的磁化相对于彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的角度。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测到并作为重放信号(playback signal)处理。
当自旋阀传感器采用单个被钉扎层时其被称为简单自旋阀。当自旋阀采用反平行(AP)被钉扎层时其被称为AP被钉扎自旋阀。AP自旋阀包括由薄的非磁耦合层例如Ru分隔的第一和第二磁层。选择该间隔层的厚度从而反平行耦合被钉扎层的铁磁层的磁化。根据钉扎层在顶部(在自由层之后形成)或在底部(在自由层之前)，自旋阀还被称为顶型或底型自旋阀。
自旋阀传感器位于第一和第二非磁电绝缘读间隙层之间，第一和第二读间隙层位于铁磁的第一和第二屏蔽层之间。在合并式(merged)磁头中，单个铁磁层作为读头的第二屏蔽层和写头的第一极片层。在背负式(piggyback )头中，第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
被钉扎层的磁化通常通过将铁磁层之一(AP1)与反铁磁材料例如PtMn的层交换耦合来被固定。虽然反铁磁(AFM)材料例如PtMn本身自然地没有磁化，但是当与磁性材料交换耦合时，它可以强烈地钉扎铁磁层的磁化。
为了满足日益增长的对改善的数据速率和数据容量的需求，研究者努力寻求制造具有更小尺寸的传感器和写头的方法。例如，增加可设置到磁介质的给定区域上的数据道的数目要求降低写头的道宽。为了降低写头的道宽，必须减小写极的宽度。
随着写头尺寸减小，用于构图和构造这些写极的传统光刻技术的分辨率限制表现出对尺寸进一步减小的限制。因此，需要一种用于构造写头的方法，其克服以前使用的光刻技术表现出的局限。这样的方法将优选利用现行的制造技术从而避免向制造工艺增加显著的额外成本。
发明内容
本发明提供一种用于构造具有改善的尺寸控制(减小的西格玛(sigma))的写头的方法。该方法包括首先提供晶片。在所述晶片上沉积第一磁材料，接着是非磁写间隙材料、导电P2籽层，然后是光敏层。然后使用配置来利用零印偏置(zero print bias)和小闪光场(flash field)构图该光敏层的设备光刻构图所述光敏层。然后第二层可镀进形成在光敏层中的开口中。然后光敏层可被顶离(lift off)且可以利用第二磁层作为掩模进行非反应离子研磨从而在第一磁层上开切口。
该光敏层可以是例如光致抗蚀剂，并可以通过光学顶离工艺被顶离。该非磁间隙层可以是例如氧化铝，且可以足够薄使得第一磁层P1开切口期间非反应离子研磨的使用不会去除显著量的第二磁材料层(P2)。
所述小闪光场可通过使用具有透镜和掩模的步进器光设备来产生，所述掩模具有一有效图案面积，该有效图案面积具有小于所述透镜的面积的25％的面积。例如，所述掩模可具有所述透镜面积的10-30％的有效图案面积。
通过配置步进器光设备(photo tool)可实施零偏置点，使得在所述掩模上构图的特征的尺寸与在光致抗蚀剂层上构图的相应特征的尺寸基本相同。例如，掩模上特征的尺寸可以是光致抗蚀剂层上相应特征的尺寸的90-110％。
通过结合附图阅读下面优选实施例的详细描述，本发明的这些和其它特征及优点将变得明显，附图中相同的附图标记始终表示相同的元件。
附图说明
为了更充分理解本发明的本质和优点及其优选使用模式，应该参考下面参照附图的详细说明，附图不是按比例的，附图中：
图1是其中可实现本发明的盘驱动系统的示意图；
图2是滑块的ABS视图，示出其上磁头的位置；
图3是根据本发明一实施例的磁头从图2的环3截取并逆时针旋转90度的ABS视图；
图4是从图3的线4-4截取的磁写头的横截面图；
图5是从图4的线5-5截取的写头的顶视图；
图6是在制造的中间阶段示出的写头的写极的顶视图；
图7-9是写头在制造的各中间阶段的ABS视图；
图10-12是示出根据本发明一实施例的写头的制造方法的示意图；以及
图13是工艺流程图，示出根据本发明一实施例的写头的制造方法。
具体实施方式
下面的说明是关于目前构思的用于执行本发明的最佳实施例。进行此说明是为了给出本发明的一般原理，而不是限制在此处所述的发明概念。
现在参照图1，其示出实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112被支承在主轴114上，并通过盘驱动马达118被旋转。每个盘上的磁记录是在磁盘112上同心数据道(未显示)的环形图案形式
在磁盘112附近设置至少一个滑块113，每个滑块113支持一个或多个磁头组件121。随着磁盘旋转，滑块113在盘表面122之上径向地进出移动，使得磁头组件121可以存取写入了所需数据的磁盘的不同磁道。每个滑块113通过悬臂115连接到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，其偏置滑块113靠着盘表面122。每个致动器臂119连接到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括可在固定磁场内可移动的线圈，线圈移动的方向和速度由控制器129提供的马达电流信号来控制。
在盘存储系统的操作期间，磁盘112的旋转在滑块113与盘表面122之间产生气垫，其对滑块施加向上的力或举力。由此气垫与悬臂115的轻微弹力平衡，在正常操作期间支承滑块113离开并略微的在盘表面上一小的基本上恒定的间隔。
盘存储系统的各种组元在运行中由控制单元129产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile)，从而优化地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据磁道。写和读信号借助记录迪道125传达到写头和读头121并从其读出。
参照图2，可以更详细地观察滑块113中磁头121的取向。图2是滑块113的ABS视图，可以看出包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的尾边缘(trailing edge)。一般磁盘存储系统的上述说明和附图1仅是示例性的。显然地，盘存储系统可包括多个盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。
现在参照图3，示出从ABS方向观察时的用于数据记录系统的磁头300。头300包括读头302和写头304。读头包括嵌入在非磁电绝缘间隙层308例如氧化铝中的磁致电阻传感器306。读头306和绝缘层308夹在第一和第二磁屏蔽层之间。写头304包括底极(P1)314和顶极(P2)316，该两者均由磁材料例如NiFe或CoFe构造。非磁间隙层318夹在第一和第二极314、316之间。非磁填充层320例如氧化铝围绕写极314、316。读和写头302、304可构造在非磁、电绝缘层329上，非磁电绝缘层329可形成在陶瓷晶片材料331例如TiC、Si或一些其它合适材料上。
参照图4，写头304的横截面示出导电线圈322经过第一和第二极314、316之间。线圈322可位于写间隙层318上，并可被填充层324围绕，填充层324也可以由氧化铝或一些其它非磁电绝缘材料构成。由磁材料例如NiFe或CoFe构成的背间隙326在与ABS相反的一侧磁连接第一和第二极314、316。
当电流流经线圈322时，产生磁场，导致磁通流过极314、316和背间隙326。该磁通在写头300的ABS端处在写间隙318中断，导致弥散场(fringing field)327从写极的端部延伸。该弥散场在相邻的磁介质(未示出)上写磁信号。
参照图5，可以更清楚地看到顶极316的形状。可以看出，第二极接近ABS时窄化至宽度TW。该宽度TW定义写头的道宽，因此对于写头是非常关键的尺寸。为了增加可写入到给定磁介质上的磁道的数量，期望道宽TW尽可能地小，同时避免使用期间磁极316的磁饱和。如参照图3可见，顶极316的道宽TW延伸至第一极314中的切口(notch)328。该自对准结构最大化写头性能，同时防止侧读(side reading)，并通过下面将描述的方法构造。
现在参照图4，写极316通过下面将详细描述的光刻和镀工艺构造在晶片330上，晶片330的仅小部分示于图6中。写极316初始构造为具有延伸部分332。延伸部分332在晶片切成滑块的行(未示出)之后通过研磨工艺被磨去，该研磨工艺去除材料至ABS的水平。
现在参照图7-9，根据本发明一实施例构造写头304(图304)的方法包括使用非反应离子研磨(non-reactive ion mill)来形成自对准第一极切口。具体参照图7，第一磁极层702沉积在衬底704上，衬底704可以是例如氧化铝。写间隙材料层706沉积在第一极层(P1)702之上。写间隙层706可以由例如氧化铝(Al2O3)构造。导电籽层708沉积在写间隙层706上。光致抗蚀剂框架(frame)710形成在籽层708上，该光致抗蚀剂框架形成有槽712。构造光致抗蚀剂框架710之后，磁材料714例如NiFe或CoFe可被电镀从而形成P1结构。
可以看出，光致抗蚀剂框架710定义的槽714定义P2结构714的宽度。因此，为了构造具有良好定义的道宽的写头，精确的光刻是关键的。下面将更详细地描述用于构造光致抗蚀剂框架的改进的光刻工艺。
以前使用的用于制造具有Al2O3写间隙和切口的第一极P1的纵向写头的方法包括使用离子束蚀刻，也称为反应离子研磨。在这样的以前使用的方法中，籽层被去除，然后在包括Ar和CHF3离子的气氛中进行反应离子研磨。在切口工艺期间CHF3气体用来优先地以快地多的速率(5∶1至10∶1)去除氧化铝(Al2O3)从而最小化P2极的去除。开切口之后，必须进行清洁，例如通过ArO2混合物中的离子研磨。然而，该方法具有某些缺点。例如，为了去除聚合物残余，离子源和晶片需要用Ar/O2研磨来清洁。另外，间隙去除之后，需要显著再沉积材料(redep)去除。利用CHF3气体的均匀性比仅使用Ar气体差，并且离子研磨设备需要专用于上述工艺。此外，使用CHF3气体的设备维护成本比单独使用Ar气体高，并且使用CHF3气体时设备正常运行时间短两倍。尽管上述研磨工艺具有上述缺点，但氧化铝选择性使得它在具有厚氧化铝间隙例如大于160nm的写头中的使用是合意的。然而，当写间隙厚度减小时，该优点严重变小。
现在参照图8，根据本发明的构造写头的方法对于具有薄于160nm的氧化铝写间隙的写头尤其有用，并特别对具有约110nm或更小的写间隙有用。因此，根据本发明，进行Ar气氛中的第一非反应离子研磨802(即没有CHF3)。第一非反应离子研磨优选地以接近垂直入射进行。例如，第一离子研磨802可相对于构成写头的层的法线以0-15度的角804进行。参照图9，进行第二非反应离子研磨902，这次是掠射角从而去除再沉积物(redep )。第二离子研磨902可相对于法线以例如85至90度的角904进行。
上述非反应离子研磨802、902的使用提供了几个优点。例如，当与薄氧化铝写间隙使用时，与反应离子研磨相比，其表现出相当的NiFe顶极(P2)消耗。另外，非反应离子研磨提供改进的道宽均匀性。此外，非反应离子研磨不需要如反应离子研磨工艺中所需的设备专用。非反应离子研磨减小了设备维护成本并改善了设备正常运行时间(uptime)。
现在参照图10-12，根据本发明一实施例的写头的构造还包括使用小闪光场将多个写头构图到晶片上。特别参照图10的示意图，该方法包括使用光源1002、光掩模1004、以及透镜1006用于将来自光源1002的光1008聚焦到晶片1010上。晶片1010可具有诸如光致抗蚀剂的材料层1012，其根据掩模1004上的图案通过光1008被光刻构图。光刻构图可在步进器(stepper)设备中进行，其中部分晶片(第一图案区域)被构图，然后晶片横向移动至新位置，在新位置处图案可以重复在可与第一图案区域相邻的第二图案区域中。重复该过程直到晶片的实质部分被构图。
为了通过降低必须进行的步进图案的数目来增加晶片产量，晶片通常通过掩模1004被构图，掩模1004具有尽可能多地覆盖透镜1004的图案。这允许在每个曝光期间每个图案覆盖晶片上尽可能多的区域。例如，如图11所示，现有技术掩模1102可具有有效掩模区域1104，其形成覆盖物理上尽可能多的透镜的基本正方形图案区域，由此提供晶片1010(图10)上最大可能闪光场以减少必须进行的光步骤(photo step)的数目。有效图案区域1102外的区域是不透明的。
参照图12，本发明利用具有较小掩模图案区域1204的掩模1202，其又在晶片上形成较小的闪光场。尽管这增加了必须进行的光步骤的数目，但其在减小特征变化和改进临界尺寸例如道宽的控制方面提供了明显的优点。小闪光场的使用通过仅使用透镜的小区域提供了所述改进。小的有效掩模区域1204可位于透镜的中心附近，该处透镜的光学特性最优且均匀。有效掩模区域的尺寸可以是例如总透镜面积的约百分之10至30或更优选地小于总透镜面积的百分之25的面积。上述小闪光场的使用减小了杂散光干涉，由此减小了临界尺寸(CD)变差。
本发明的另一特征在于光刻以零偏置点进行。本领域技术人员将理解，可进行光工艺使得印在晶片上的特征大于掩模本身上的特征(正印偏置(positive print bias))。也可进行该工艺使得晶片特征小于掩模特征(负印偏置(negative print bias))。
为了工艺稳定性，用于该应用的现有技术光刻工艺使用正印偏置。然而，正印偏置的使用还要求更高的光剂量。例如，一般写极利用约5um厚的光致抗蚀剂层定义。正印偏置需要比使用零印偏置所要求的光剂量高超过50％的光剂量。该较高的光剂量导致写极的喇叭管部分(flare portion)的变形以及P2壁角度和道宽控制的变差。其还导致用于形成极结构的离子研磨工艺期间的遮蔽(shadowing)，以及P2极316的最终尺寸的进一步变差。较高的光还恶化透镜杂散光，其增加P2极结构316的临界尺寸的大小，例如场中心和相邻场附近的场区域中的道宽，进一步使P2西格玛(sigma)变差。
已经发现零印偏置的使用避免了与正印偏置相关的上述问题。在光刻工艺中实现零印偏置，其中掩模特征的尺寸约等于晶片上定义的特征的尺寸。例如，使用零印偏置，晶片上的特征可以是掩模自身上特征的尺寸的百分之90至110。已经发现零印偏置的使用提供(1)通过保持晶片上所印图像的尺寸足够大来保持产量与(2)避免正印偏置的使用表现出的西格玛变差效应(例如杂散光)之间的完美平衡。
我们已经发现，上述制造方法改进的结合：(1)非反应离子研磨的使用，(2)小闪光场的使用以及(3)零印偏置的使用在定义磁写头的工艺中结合使用时提供了西格玛控制方面出乎意料的大的改善。该出乎意料的大的结果是比源自每个所述工艺改进的单独效果的总和大得多的协同效应。例如，通过这三个工艺改进的结合可实现百分之20的西格玛改善。
事实上，标准的可接受的制造实践教导远离这些技术的使用。由于所需的增加的光步骤数目，小闪光场的使用没有被实践过。类似地，零印偏置的使用过去不是优选的，因为正印偏置通常导致更稳定的工艺。另外，非反应离子研磨的使用过去不是优选的，因为相信反应离子研磨对于防止研磨期间过量的P2去除是必要的。因此，现有技术和本领域常识实际上教导偏离本发明。
现在参照图13，总结根据本发明的制造磁写头的方法。在步骤1302中提供晶片。晶片可以是Si晶片或更优选地是TiC构成的晶片。然后，在步骤1304，第一层磁材料例如NiFe或CoFe被沉积。该第一层可以通过诸如光致抗蚀剂框架镀(photoresist frame plating )的方法以所需第一极形状形成在步骤1306，沉积非磁间隙层例如氧化铝(Al2O3)。然后，在步骤1308，光敏材料例如光致抗蚀剂的层被沉积。
继续参照图13，在步骤1310，该光敏层被光刻构图从而形成具有所需第二极(P2)形状的光敏层中的开口。该光刻步骤使用配置为在晶片上定义小闪光场的光刻步进器设备进行。该光刻设备还配置为以零印偏置构图光敏层。在步骤1312，沉积第二磁层(P2)。第二磁层可利用构图的光敏层作为框架通过电镀沉积从而形成P2结构。为了利于电镀，在沉积光敏层之前可沉积导电籽层。在步骤1314，光敏层例如通过化学顶离(lift off)工艺被去除。然后，在步骤1316，进行非反应离子研磨从而在第一磁层中形成切口，利用第二磁层(P2)作为掩模来使切口与P2结构自对准。
尽管上面描述了各种实施例，应该理解它们仅作为示例给出，而不是限制。落在本发明范围内的其它实施例也可对本领域技术人员变得明显。因此，本发明的宽度和范围不应被任何上述示例性实施例限制，而应仅根据权利要求及其等价物定义。

Claims (24)

1.一种在晶片上制造磁写头的方法，包括：
提供晶片；
在所述晶片上沉积第一磁材料；
在所述第一磁层上沉积非磁间隙层；
在所述非磁间隙层上沉积光敏膜层；及
光刻构图所述光敏膜，从而在所述光敏膜中形成所需图案，所述图案包括形成在所述光敏膜中的槽，所述光敏膜的光刻构图通过包括光源、掩模和透镜的设备进行，且其中：
所述掩模构图为具有有效掩模区域从而在光步骤期间在所述晶片上定义小闪光场；且
所述设备聚焦为以具有零印偏置的图案来构图所述晶片；
沉积第二磁材料到形成在所述光敏膜中的所述槽中；
去除所述光敏材料；及
进行非反应离子研磨。
2.如权利要求1的方法，其中所述透镜定义第一面积且所述掩模定义具有第二面积的有效掩模区域，且其中所述第二面积小于所述第一面积的25％。
3.如权利要求1的方法，其中所述透镜定义第一面积且所述掩模定义具有第二面积的有效掩模区域，且其中所述第二面积为所述第一面积的10-30％。
4.如权利要求1的方法，其中所述设备聚焦为使得所述掩模中定义的特征构图所述晶片上的相应特征，所述晶片上的相应特征为定义在所述掩模中的所述特征的尺寸的90-110％。
5.如权利要求1的方法，其中所述设备聚焦为使得具有第一特征宽度的掩模特征构图所述晶片上的相应特征，所述晶片上的相应特征具有所述第一特征宽度的尺寸的90-110％的第二特征宽度。
6.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨首光以几乎垂直于所述晶片的表面的角度进行，然后以相对于所述晶片的所述表面掠射的角度进行。
7.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨首先相对于所述晶片的表面的法线以0-15度角度进行，然后相对于所述晶片的所述表面的法线以85-90度的角度进行。
8.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨在包括Ar的气氛中进行。
9.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨在Ar构成的气氛中进行。
10.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨在包括Ar且没有CHF3的气氛中进行。
11.如权利要求1的方法，其中所述非反应离子研磨充分进行从而在所述第一磁材料中形成切口，该切口与所述第二磁材料的一部分自对准。
12.如权利要求1的方法，还包括在沉积所述光敏膜之前沉积导电籽层
13.如权利要求1的方法，其中所述光敏材料包括光致抗蚀剂。
14.一种用于构造磁写头的方法，包括：
光刻构图光敏材料层，所述光刻构图包括使用小闪光场和基本等于零的印偏置；及
进行非反应离子研磨。
15.如权利要求14的方法，其中所述光刻构图使用包括掩模的设备进行，且其中所述掩模上的特征尺寸基本等于所述光敏材料层上的相应特征尺寸。
16.如权利要求14的方法，其中所述光刻构图使用包括掩模的设备进行，且其中所述掩模上的特征尺寸为xx-xx乘以所述光敏材料层上的相应特征尺寸。
17.如权利要求14的方法，其中所述光刻构图使用包括掩模和具有一面积的透镜的设备进行，且其中所述掩模形成为具有有效图案区域，该有效图案区域定义具有小于所述透镜面积的25％的面积的闪光场。
18.如权利要求14的方法，其中所述光刻构图使用包括掩模和具有一面积的透镜的设备进行，且其中所述掩模形成为具有有效图案区域，该有效图案区域定义具有所述透镜面积的10-30％的面积的闪光场。
19.如权利要求14的方法，其中所述非反应离子研磨在包括Ar的气氛中进行。
20.如权利要求14的方法，其中所述非反应离子研磨在包括Ar且基本没有CHF3的气氛中进行。
21.如权利要求14的方法，其中所述非反应离子研磨在主要由CHF3构成的气氛中进行。
22.如权利要求14的方法，还包括在沉积光敏材料层之前沉积磁层，然后沉积非磁写间隙层。
23.如权利要求14的方法，还包括在沉积光敏材料层之前沉积第一磁层，然后沉积非磁写间隙层，且在构图所述光敏层之后沉积第二磁层。
24.如权利要求23的方法，其中所述非反应离子研磨充分进行从而在所述第一磁层中形成切口，所述切口与所述第一磁层对准。
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