DE2422927A1

DE2422927A1 - Anordnung zur beseitigung eines teils des magnetischen uebersprechens in magnetoresistiven abfuehlelementen

Info

Publication number: DE2422927A1
Application number: DE2422927A
Authority: DE
Inventors: Christopher Henry Bajorek; David Allen Thompson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-05-11
Publication date: 1975-01-23
Also published as: CA1056502A; JPS547448B2; GB1428298A; DE2422927C2; FR2235452A1; US3887944A; JPS5023868A; FR2235452B1; IT1022028B

Description

Böblingen, 10. Mai 1974 heb-oh

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 115

Anordnung zur Beseitigung eines Teils des magnetischen Übersprechens in magnetoresistiven Abfühlelementen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beseitigung eines Teils des magnetischen Übersprechens in magnetoresistiven Abfühlelementen, insbesondere in integrierten Anordnungen von auf magnetoresistiver Basis aufgebauten Leseköpfen. Magnetoresistive Abfühlelemente werden ganz allgemein zur Feststellung magnetischer Felder benutzt. In manchen Anwendungsgebieten ist es erwünscht, auch in seitlicher Richtung eine Auflösung zu erhalten, wofür eine Anzahl solcher Abfühlelemente eng benachbart nebeneinander angeordnet wird. Mit der Verringerung der Abmessungen einer solchen Anordnung nimmt naturgemäß das magnetische übersprechen zwischen den einzelnen Elementen zu.

Magnetisches übersprechen, das heißt eine Wechselwirkung zwischen benachbarten oder in der Nähe liegenden magnetoresistiven Abfühlelementen ist ein Hauptgrund für die begrenzte Anwendung von Anordnungen aus magnetoresistiven Abfühlelementen bei Aufzeichnung und Wiedergabe mit hoher Spurdichte. Bisher bekannte magnetische Abfühlanordnungen verwendeten Nuten oder ausgeätzte Bereiche zwischen den einzelnen Abfühlelementen, um dadurch eine magnetische und elektrische Isolation zwischen den Elementen zu erzielen. Die dabei durch solche Nuten erzielbare Isolation hängt von der Breite der Nuten ab. Die Verwendung von magnetoresistiven Abfühlelementen und deren Anwendung bei sehr hoher

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Spurdichte erfordert, daß die Abstände zwischen den einzelnen Abfühlelementen kleiner als die oder aber in der Größenordnung der anderen Dimensionen sind. In manchen Fällen, wenn der zur Verfügung stehende Raum zu klein ist, können Nuten oder ausgeätzte Bereiche zur Vermeidung von übersprechen nicht benutzt werden, da solche Nuten oder ausgeätzten Bereiche nicht ausreichend breit wären, um die erforderliche magnetische Isolation zu liefern, oder weil die erforderliche Linienbreite viel zu gering wäre. In diesem Fall ist ein Mehrfachstreifen mit nur halb so vielen Leitungen je Element die Lösung. Beispielsweise ergibt sich bei einer Anordnung von 50 Abfühlelementen und einer Spurdichte von 1000 Spuren je Zoll ein Abstand zwischen den Mittellinien benachbarter Abfühlelemente von 0,025 mm. Die geometrische Form jedes Abfühlelements ist derart gewählt, daß jeder Bereich unter einem Abfühlelement, an dem eine Leitung angeschlossen ist, etwa 20 % oder mehr der Gesamtfläche des Abfühlelements bildet. Die enge Nachbarschaft der Spuren und Abfühlelemente hat zur Folge, daß die unter einem Abfühlelement erzeugten Signale die Ausrichtung der Magnetisierung in einem wesentlichen Teil des benachbarten Abfühlelements beeinflußt. Sowohl die Streuerregung der Magnetisierung in dem Bereich zwischen dem Abfühlelement und seiner angeschlossenen Leitung als auch der aktiven Bereiche der benachbarten Abfühlelemente kann ein wesentliches, durch übersprechen hervorgerufenes Rauschen bewirken, so daß die Brauchbarkeit dieser Anordnung zum effektiven Abfühlen magnetischer Information hoher Aufzeichnungsdichte beträchtlich beeinträchtigt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das übersprechen dadurch weitgehend unterdrückt, daß diejenigen Bereiche unter den elektrischen Leitern, die die elektrischen Signale von und nach dem zugehörigen magnetoresistiven Element führen, magnetisch passiviert werden. Solche Bereiche unter diesen Leitern werden dadurch passiviert, daß man ihre Permeabilität weit unter einen Wert herabsetzt, der für aktive Teile der Anordnung aus magnetoresistiven Abfühlelementen typisch ist. Die Herabsetzung der

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Permeabilität der unter den Leitern liegenden Bereiche ist synonym mit einer Erhöhung der Koerzitivkraft. Die Permeabilität wird dabei für kleine magnetische Signalamplituden definiert, während die Koerzitivkraft für Signale in der Nähe der Sättigungsamplitude definiert wird. Im folgenden soll also niedrige Permeabilität und hohe Koerzitivkraft als synonym betrachtet werden und eine verringerte Fähigkeit des magnetischen Materials beschreiben, auf Magnetfelder des abzufühlenden Gegenstandes oder Mediums anzusprechen. Eine solche erhöhte Koerzitivkraft wird dadurch erzielt, daß man diese Bereiche mit einem Material hoher Koerzitivkraft koppelt. In einer Ausführungsform wird der Bereich unter den Leitern dadurch passiviert oder deaktiviert, daß man auf dem Bereich des magnetoresistiven Abfühlelementes, an dem der Leiter angeschlossen werden soll, ein Material mit hoher Koerzitivkraft, beispielsweise eine Legierung aus Ni-Co-P, niederschlägt. Solche oder ähnliche Legierungen können eine Koerzitivkraft von mehr als 400 Oe haben. Die wechselseitige Kopplung zwischen dieser Legierung und dem durch die Leitung abzudeckenden magnetoresistiven Bereich wird die ausgewählten Bereiche passivieren .

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale sind im einzelnen in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen angegeben.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. TA und 1B Anordnungen gemäß dem Stand der Technik mit

diskreten Abfühlelementen bzw. einer angezapften Anordnung von Abfühlelementen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Erfindung in

ihrer Anwendung auf eine Mehrfach-Anordnung von magnetoresistiven Abfühlelementen;

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Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anwendung der

Erfindung auf einen Aufzeichnungskopf;

Fig. 4 die verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung einer gemäß der Erfindung aufgebauten Anordnung von Abfühlelementen.

Fign. 1A und 1B zeigen zwei allgemeine Ausführungsformen von magnetoresistiven Anordnungen gemäß dem Stande der Technik. In Fig. 1A ist eine Anordnung von diskreten, unabhängigen und identischen magnetoresistiven Elementen 4 gezeigt. Da jedes der Elemente unabhängig ist, müssen jedem Element zwei Leitungen 6 zugeordnet sein. Zwischen benachbarten Abfühlbereichen ist jeweils eine Nut g vorgesehen, die die einzelnen Bereiche körperlich und elektrisch voneinander isoliert. Fig. 1B zeigt eine etwas kompaktere Anordnung, die auch als Mehrfach-Anordnung bezeichnet wird. In diesem Fall ist der Bereich zwischen benachbarten Abfühlelementen nicht, wie in Fig. 1A, geätzt, sondern wird durch einen Leiter 6A gebildet, der zwei benachbarten magnetoresistiven Elementen gemeinsam zugeordnet ist. Die sich daraus ergebende etwas kompliziertere elektrische Schaltung, die aus dieser gemeinsamen Benutzung von Anschlußleitern folgt, wird etwas ausgeglichen durch die leichtere Herstellung der breiteren Leiter.

Fig. 2 zeigt, in welcher Art die Erfindung verwirklicht werden kann. Die erste Schicht ist ein Substrat 2 mit einer nichtmagnetischen und nichtleitenden Oberfläche, welche aus Glas, Silicium, Saphir oder dergleichen besteht. Das Substrat 2 trägt die Anordnung magnetoresistiver Elemente und Leitungen, d.h. die aktiven Elemente des Kopfes, und kann aus jedem Material hergestellt sein, das eine magnetische Abschirmung ergibt oder einen nichtmagnetischen Spalt liefert. Auf dem Substrat ist ein Streifen 4 aus magnetoresistivem Material aufgetragen, wobei beispielsweise Ni-Fe ein solches Material ist. Der Streifen 4 ist etwa 200 S dick und etwa 5 Mikron breit.

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Der Zwischenraum zwischen benachbarten Leitern 6 würde normalerweise einen Bereich r aus magnetoresistivem Material definieren, der als magnetisches Abfühlelement dient. In der Zeichnung sind nur drei solcher Bereiche r, τ. und r„ dargestellt, obgleich es zwischen 20 und 4000 oder mehr solcher Abfühlbereiche je Zoll geben kann. Wird beispielsweise in dem Bereich r₁ durch das in einem Speichermedium eingespeicherte magnetische Feld die Magnetisierung umgeschaltet oder geändert, dann kann das.gleiche magnetische Feld auch den Leiter 6 durchsetzen und in den benachbarten Bereich r oder r~ gelangen, so daß in diesen Bereichen r und r₂ Störsignale auftreten. Zur Vermeidung solcher Streuoder Störsignale müssen die Abschnitte 8 des magnetoresistiven Streifens passiviert werden, so daß der magnetische Flußpfad von einem Bereich r zum nächstbenachbarten Bereich r.. oder r₂ unterbrochen ist.

Eine Möglichkeit, diesen magnetischen Flußpfad zu unterbrechen, besteht darin, ein antiferromagnetisehes Material, wie z.B. NiO oder CtFe₃O₃ als Bereich 8 einzusetzen. Ein solches antiferromagnetisehes Material wird durch eine Maske auf den Streifen 4 vor dem Niederschlagen des zugehörigen Leiters 6 aufgetragen. Die meisten antiferromagnetischen Materialien besitzen eine sehr hohe Koerzitivkraft. Durch die wechselseitige Kopplung ist die Koerzitivkraft des unter dem antiferromagnetischen Material liegenden Teils des Streifens 4 höher als in den nicht abgedeckten Bereichen des Streifens.

Eine weitere Möglichkeit der Passivierung besteht darin, daß man hartes, ferromagnetisches Material, wie z.B. NiCo, CoP, Y-Fe₃O₃, Fe₃O₄ oder ähnliches, als Film im Bereich 8 aufbringt, der die Leiter 6 von dem magnetoresistiven Streifen 4 trennt. Solche harten, ferromagnetisehen Materialien haben eine Koerzitivkraft von mindestens 400 Oe, während der magnetoresistive Streifen 4 eine Koerzitivkraft von etwa 2 bis 3 Oe aufweist. Wie in dem zuvor beschriebenen Fall wird in dem unter dem harten, ferromagnetisehen Material liegenden Bereich des magnetoresi-

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stiven Streifens 4 durch gegenseitige Kopplung die Koerzitivkraft des magnetoresistiven Materials weit über zwei bis drei Oersted angehoben.

Offensichtlich wird der in einem Speichermedium eingespeicherte magnetische Fluß die Magnetisierung in den Bereichen r.., r» und r₃ umschalten oder ändern, wird jedoch die Richtung der Magnetisierung der passivierten Abschnitte gar nicht oder nur ganz geringfügig ändern oder schalten können. Ganz allgemein sind die Magnetfelder m des Speichermediums (das sich in die Zeichnungsebene hinein und aus ihr heraus bewegt und die Abfühlbereiche, die rechtwinklig zu diesem Medium liegen) die abgefühlt werden, nicht ausreichend stark, um in merklicher Weise die Richtung der Magnetisierung der passivierten Bereiche zu schalten oder zu ändern, sind jedoch ausreichend stark, um die Abfühlbereiche zu betätigen. Da in den Bereichen r normalerweise die Koerzitivkraft bei 2 bis 3 Oersted liegt, ist jede Koerzitivkraft unter den Leitern 6, die mehr als 10mal so groß ist, ausreichend, um ein übersprechen zu vermeiden.

In Fig. 2 ist die Richtung der Magnetisierung der Abfühlelemente durch Pfeile dargestellt, die etwa unter einem Winkel von 45° zur leichten Achse der Magnetisierung der Abfühlbereiche verlaufen. Das ist die bevorzugte Ruheausrichtung für die Aufzeichnung. Dies entspricht dem Wendepunkt der Ansprechkurve AR über H und gibt daher bipolare, lineare Ausgangssignale, wenn die Abfühlelemente mit einem Abfühlfeld erregt werden. Eine solche Magnetisierung erstreckt sich selbst bis in die Bereiche unter den Leitern 6. Dabei wurde festgestellt, daß vorzugsweise die magnetische Ausrichtung im Ruhezustand unter den Leitern die gleiche bleiben sollte, und daß man Verfahren einsetzen sollte, die ein Ansprechen und/oder Drehen des magnetischen Vektors in Abhängigkeit von dem vom Speichermedium 10 ausgehenden magnetischen Fluß verhindern, statt daß man den Magnetismus unter diesen Leitern völlig zerstört. Eine solche vollständige Zerstörung des Magnetismus führt zur Bildung von unerwünschten Dipolen

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in den Bereichen, in denen die Kanten der Leiter 6 auf die anschließenden magnetorestistiven Abfühlelemente treffen. Diese magnetischen Dipole können Barkhausen·sches Rauschen verursachen oder dazu beitragen. Somit bleiben also Größe und Richtung der magnetischen Ruheausrichtung über den gesamten Streifen 4 die gleiche, jedoch wird die Koerzitivkraft in den Bereichen unter den Leitern 6 wesentlich erhöht.

Es ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht zwingend notwendig, daß die Größe des magnetischen Moments in dem gesperrten Bereich die gleiche ist wie in den benachbarten Bereichen r der Abfühlelemente. Von einem verfahrenstechnischen Standpunkt aus mag es vorzuziehen sein, eine Fehlanpassung der magnetischen Momente zuzulassen, entweder weil das Material mit höherer Koerzitivkraft ein zusätzliches magnetisches Moment liefert, oder weil die Sperrschicht oder die Behandlung das innere Moment des magnetoresistiven Materials dadurch herabgesetzt hat, daß entweder eine Legierung oder eine andere chemische Reaktion stattgefunden hat.

Die Ausrichtung der Magnetisierung in dem Streifen 4, die durch Pfeile dargestellt ist, kann durch einen Permanentmagneten oder einen elektrischen Strom in einem Leiter hervorgerufen werden, die jedoch beide nicht dargestellt sind, da sie kein Teil der Erfindung bilden. Eine solche magnetische Vorspannung wird dann verwendet, wenn man wünscht, längs des linearen Teils des R-H Diagramms des magnetoresistiven Streifens 4 zu arbeiten. Wird keine magnetische Vorspannung benutzt, dann kann man die Magnetisierung in jedem beliebigen Winkel zur Achse leichter Magnetisierung des Streifens 4 ausrichten.

Ein weiteres Verfahren zur Passivierung des unter dem Leiter 6 liegenden Teils besteht darin, den Streifen 4 durch eine chemische Behandlung aufzurauhen. Beispielsweise wird eine milde Lösung von HCl benutzt, um diesen Streifen leicht anzuätzen und damit die Koerzitivkraft eines Bereiches des Streifens 4 zu

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ändern, bevor der Leiter 6 in dem angeätzten Bereich niedergeschlagen wird.

Zur Herstellung einer magnetischen Aufzeichnungsanordnung für
hohe Spurdichten beginnt man, wie in Fig. 4 gezeigt, mit einem Substrat 2. Unter Verwendung üblicher Maskenverfahren und lithographischen Techniken wird ein Abfühlstreifen aus magnetoresistivem Material niedergeschlagen, wobei dieser Streifen 4 etwa 200 A dick und etwa 5μ breit ist, obgleich auch andere Abmessungen zulässig sind. Dann wird durch eine der zuvor beschriebenen Verfahren Teile ρ in dem Streifen 4 so geändert, daß die Koerzitivkraft dieser Teile sehr viel höher oder ihre Permeabilität sehr viel kleiner ist als in den unbeeinflußten Bereichen. Zuletzt werden Leiter 6 aus Gold, Kupfer, Aluminium oder einem ähnlich elektrisch leitenden Material, im wesentlichen mit den gleichen Abmessungen wie die in ihrer Koerzitivkraft geänderten Bereiche, zur Fertigstellung der Anordnung niedergeschlagen.
Selbstverständlich müssen an diesen Leitern 6 die normalen elektrischen Anschlüsse und Anschlußschaltungen angebracht werden, um das normale Arbeiten der fertiggestellten Anordnung sicherzustellen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Integrierte Anordnung magnetischer Aufzeichnungselemente mit einem Substrat und einem dünnen Film aus magnetoresistivem Material auf diesem Film und einer Anzahl- auf Abstand stehender elektrischer Leiter, die jeweils über einem gesonderten Bereich auf dem magnetoresistiven Material liegen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung des Umschaltens der magnetischen Bereiche (r, r.., r„) zwischen den Bereichen (4) aus magnetoresistivem Material und jedem der Leiter (6) in solchen Bereichen (8), in denen die Leiter das magnetoresistive Material berühren, die magnetische Umschaltung verhindert ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen (8) zur Verhinderung der magnetischen Schaltung ein antiferromagnetisches Material benutzt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das antiferromagnetische Material aus aFe_O_ besteht.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus NiO besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung des Magnetschaltens diejenigen Bereiche des dünnen magnetoresistiven Films, die mit den elektrischen Leitern verbunden sind, einer chemischen Vorbehandlung unterzogen sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter den Leitern liegende, magnetoresistive Material eine Permeabilität aufweist, die um eine Größenordnung oder mehr kleiner ist als die Permeabilität des übrigen magnetoresistiven Materials.

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7. Integrierte Anordnung magnetischer Aufzeichnungselemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bereiche aus magnetoresistivem Material (r, r.., r_) durch Material mit hoher Koerzitivkraft (8) voneinander getrennt sind, und daß diese Bereiche hoher Koerzitivkraft praktisch mit den entsprechenden Leitern (6) flächenmäßig zusammenfallen.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen des Bereichs aus Material hoher Koerzitivkraft mit den Grenzen des Übergangsbereichs zwischen magnetoresistivem Material und dem dieses schneiden Leiter (6) zusammenfallen .
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Koerzitivkraft (8) eine Koerzitivkraft aufweist, die mindestens eine Größenordnung größer ist als die Koerzitivkraft der magnetoresistiven Bereiche (r, r.., r_) des Streifens (4), welche zwischen den Leitern (6) liegen.
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Koerzitivkraft aus Ni-Co-P besteht.
11. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Koerzitivkraft aus Co-P besteht.
12. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Koerzitivkraft aus YFe₃O₃ besteht.
13. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material hoher Koerzitivkraft aus Fe₃O₄ besteht.
14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetoresistive Streifen in einem Winkel zu diesem Streifen magnetisiert ist.

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