DE4140983A1

DE4140983A1 - Magnetkopf in duennschichttechnik und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4140983A1
Application number: DE4140983A
Authority: DE
Inventors: Keiji Ohkubo; Hisashi Yamazaki; Kiyoto Yamaguchi; Yoshiharu Kashiwakura
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1992-06-17
Also published as: GB9126163D0; GB2252661A; GB2252661B; US5313356A; JPH04214205A

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtmagnetkopf für einen Magnetplattenspeicher, insbesondere einen Magnetkopf, in dem eine magnetische Schaltung und eine Wicklung aus dünnen Schichten ausgebildet sind, und ein Verfahren zu dessen Her stellung.

Es ist bekannt, daß im Bereich der Magnetplattenspeicher technologie bemerkenswerte Verbesserungen hinsichtlich der Speicherkapazität erzielt wurden und daß eine einzige Platte bzw. Scheibe mit 3,5 Zoll Durchmesser einige 100 Megabyte an Daten speichern kann. Für weitere Verbesserungen der Spei cherkapazität bei hochdichten Aufzeichnungsumgebungen ist es erforderlich, die Spurbreite auf einer Scheibe schmaler zu machen und Daten mit höherer Dichte auf jeder Spur aufzu zeichnen. Um diesem Erfordernis nachzukommen, besteht ein erhöhtes Interesse an Dünnschichtmagnetköpfen mit einer fei nen Struktur zur Verwendung als Lese- und Schreibkopf. Ein derartiger Magnetkopf wird durch Integrieren aller funktio nalen Bauteile, wie Magnetkerne und Wicklungen in Form einer dünnen Schicht auf einem einzigen Substrat mittels Halblei tertechnologie hergestellt.

Im folgenden wird ein prinzipielles Beispiel eines Dünn schichtmagnetkopfes gemäß den Fig. 8 und 9 erläutert. Ge mäß Fig. 8 ist eine Wicklung 30 spiralförmig, und ein Mag netkern 10 weist ein Paar Magnetpolschichten 15 und 16 auf, die in der Form einer Zwiebel im Querschnitt ausgebildet sind und zwischen denen ein Teil der Wicklung 30 in der dar gestellten Weise angeordnet ist. Im oberen Bereich 10a des Magnetkerns 10 ist ein Lese- und Schreibspalt G mit einer geringen Spaltbreite w zwischen den Magnetpolschichten 15 und 16 ausgebildet. Ein Magnetschaltkreis wird durch Verbin den der anderen Endbereiche der Magnetpolschichten 15 und 16 miteinander am Grundbereich 10b des Magnetkerns 10 gebildet. Wo der Spalt G nahe an die oder mit der Oberfläche der Scheibe in Kontakt gebracht wird, kann der wie oben struktu rierte Magnetkopf Daten auf eine Scheibe durch Führen elek trischen Stroms in die Wicklung 30 durch ein Paar Führungs leiter 30a und 30b schreiben und Daten auf einer Scheibe durch Erfassen des in der Wicklung 30 induzierten elektri schen Stroms lesen.

Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Schnitt des Lese- und Schreibspalts entlang der Linie X-X gemäß Fig. 8. Eine Unterseiten-Magnetpolschicht 15 aus magnetischen Materialien wie Permalloy hat eine Dicke zwischen 1 µm und 2 µm und ist auf ein Substrat 1 aus Aluminiumoxid aufgebracht. Eine Lückenschicht 20 (Spaltschicht) aus Aluminiumoxid oder Sili ziumoxid mit einer Dicke von weniger als 0,5 µm ist oberhalb der Unterseiten-Magnetpolschicht 15 angeordnet. In dem Aus führungsbeispiel gemäß den Fig. 8 und 9 hat die Wicklung 30 Windungen in zwei Schichten, eine Unterseiten-Wicklung 31 und eine Oberseiten-Wicklung 32, wobei beide durch Photo ätzen dünner Schichten gebildet sind, die durch Aufdampfen im Vakuum oder Sputtern von Kupfer oder Aluminium in Form von Spiralmustern aufgebracht sind und mit einer unteren Isolationsschicht 33 und einer oberen Isolationsschicht 34 aus Silizium oder Polyimid beschichtet sind. Die Wicklung 30 ist zwischen der unteren Magnetpolschicht 15 und der oberen Magnetpolschicht 16 angeordnet, und der Magnetkern 10 ist derart ausgebildet, daß der obere Seitenkern 16 und der untere Seitenkern 15 die Lückenschicht 20 am oberen Bereich 10a berühren. Der Lese- und Schreibspalt G ist durch Läppen der äußeren Stirnfläche des oberen Bereichs 10a gebildet und besitzt eins kleine Spaltlänge g, die durch die Dicke der Lückenschicht 20 zwischen den Magnetpolschichten 15 und 16 gebildet wird. Diese Art eines Dünnschichtmagnetkopfes gemäß Fig. 8 und 9 ist z. B. in JP-OS 84 019/1980 gezeigt.

In dem zuvor beschriebenen, durch Halbleitertechnologie ge bildeten Dünnschichtmagnetkopf kann zum genauen Bestimmen der Spaltbreite w und der Spaltlänge g die Reduktion der Spurbreite auf einer Scheibe und die hohe Aufzeichnungs dichte auf der Spur bis zu einem gewissen Maß erzielt wer den. Die Wirksamkeit des Magnetkopfes hinsichtlich Aufzeich nen und Lesen von Daten auf einer Scheibe wird jedoch stark von den magnetischen Eigenschaften der magnetischen Materia lien für den Magnetkern 10 beeinflußt. Insbesondere, wenn die Signalfrequenz beim Lesen von Daten auf einer Scheibe bis zu einigen MHz hinaufgeht, ist es erforderlich, magneti sche Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität in einem hohen Frequenzbereich zum Bilden des Magnetkopfes zu verwenden. Deshalb werden oft anisotrope magnetische Mate rialien verwendet, wobei die Achse einfacher Magnetisierung an die definierte Richtung der Spaltbreite w gebunden ist. Diese Struktur wird in Fig. 10 erläutert.

Fig. 10 ist eine vergrößerte Ansicht des oberen Bereichs 10a der unteren Magnetpolschicht 15 der Magnetwicklung 10, wo statische magnetische Domänen ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds gezeigt sind. Magnetische Domänenwände werden in Blochwände oder 180°-magnetische Domänenwände B18, die eine Grenze zweier benachbarter magnetischer Domänen mit entge gengesetzter Magnetisierungsrichtung darstellen, und Neel wände oder 90°- magnetische Domänenwände B9 eingeteilt, die eine Grenze zweier benachbarter magnetischer Domänen mit zu einander senkrechten Magnetisierungsrichtungen darstellen. Deshalb sind in den magnetischen Polschichten gemäß Fig. 10 magnetische Domänen entweder aus hexagonalen magnetischen Domänen H oder dreieckigen magnetischen Domänen T zusammen gesetzt. Sofern die Kopfbreite w nicht groß ist, bedeutet das für die magnetische Domänenkonfiguration, daß sich die hexagonalen magnetischen Domänen H ausdehnen und das Zentrum des Kopfes besetzen und die dreieckigen magnetischen Domänen T seitlich der hexagonalen magnetischen Domänen H lokali siert sind. Die Pfeile in den hexagonalen magnetischen Domä nen zeigen die Richtungen der Achsen einfacher Magnetisie rung, die parallel zur Richtung der Kopfbreite w ausgerich tet sind. Beim Lesen und Schreiben von Daten auf eine Scheibe, wenn eine magnetische Kraft senkrecht zur Richtung der Kopfbreite w wirkt, werden die magnetischen Wände der hexagonalen magnetischen Domäne H als Antwort der Magneti sierungskraft versetzt, um die Magnetisierungsrichtungen der Domänen um 90° zu drehen. Bei dieser Art des Drehens der Magnetisierungsrichtung der hexagonalen magnetischen Domänen H ist weniger Energie als beim Umkehren der Magnetisierungs richtung in die entgegengesetzte Richtung erforderlich, und es kann beim Drehen der Magnetisierungsrichtung eine höhere magnetische Permeabilität erzielt werden.

Ist jedoch die Spaltweite w kleiner als etwa 10 µm und die Spaltlänge g kleiner als etwa 0,5 µm, ist es schwierig, eine höhere magnetische Permeabilität zu erreichen. Ein Grund da für liegt darin, daß, wo die Spaltweite w klein ist, der durch dreieckige magnetische Domänen T besetzte Bereich größer als der durch hexagonale magnetische Domänen H be setzt wird. Ein anderer Grund dafür ist, daß der Wirbel stromverlust im Magnetkern 10 steigt, wenn die Spaltlänge g klein ist, um die Signalfrequenz zum Lesen und Schreiben von Daten zu erhöhen. Eine bekannte Lösung dieses Problems be steht darin, den Magnetkern 10 in Form von mehreren Schich ten auszubilden. In IBM Disclosure Bulletin, Bd. 21, Nr. 11 (1979), Seite 4367, ist eine Struktur beschrieben, in der eine Schicht aus Permalloy und eine Schicht aus Siliziumoxid wechselweise laminiert sind, um mehrere Schichten zu bilden. Bei dieser Struktur wird der Wirbelstromverlust verringert durch Ausbilden einer dünnen Schicht aus Permalloy, und durch ausreichendes Verringern der Dicke der Schichten aus Sili ziumoxid können dünne Schichten des eine Schicht aus Sili ziumoxid umschließenden Permalloys ausreichend magnetisch gekoppelt werden, um einen magnetischen Schaltkreis zu bil den, so daß das Wachstum der dreieckigen magnetischen Domä nen T reduziert und das Wachstum der hexagonalen magneti schen Domänen H in bemerkenswerter Weise vergrößert werden kann. Ferner sind in den JP-OSen-4 908/1989 und 42 011/1989 Technologien offenbart, bei denen Permalloy-Reihenlegierun gen verwendet werden, um das Problem in ähnlicher Weise zu lösen. Zusätzlich ist in der JP-OS 57 515/1985 ein Magnetkopf mit mehreren Schichten aus Fe-Si-Legierungen offenbart.

Bei der praktischen Verwendung ist jedoch die Verbesserung der magnetischen Permeabilität der mehrfach geschichteten magnetischen Materialien nicht einfach. Insbesondere bei Verwendung magnetischer Materialien mit hoher Koerzitivkraft für magnetische Aufzeichnungsmedien, um den Signalpegel für hochdichte Aufzeichnungsumgebungen zu verbessern und Daten auf die Magnetscheibe aus den zuvor erwähnten Magnetauf zeichnungsumgebungen zu schreiben, ist es erforderlich, Magnetmaterialien mit hoher Sättigungsmagnetflußdichte zum Bilden eines Magnetkerns des Magnetkopfs zu verwenden. Somit ist es sehr schwer, hohe magnetische Permeabilität beim Aus bilden mehrerer Schichten durch magnetisches Material, die diese Bedingungen erfüllen, zu erhalten.

Beträgt z. B. die Koerzitivkraft des magnetischen Aufzeich nungsmaterials, das im MIG-Verfahren (Metal In Gap-Verfah ren) verwendet wird, bis zu 1194 A/cm (1500 Oe), kann ein Magnetkopf mit magnetischen Materialien, wie Permalloy, die ser Art eines magnetischen Aufzeichnungsmediums nicht genug Energie geben. Deshalb ist es erforderlich, amorphe magneti sche Materialien wie Mo-Permalloy-Legierungen zu verwenden. In Experimenten ist gezeigt worden, daß die magnetische Per meabilität von mehrfach geschichteten dünnen Schichten, die mit amorphen magnetischen Materialien und Siliziumoxid ge bildet sind, nur halb so groß wie erwartet ist. Selbst bei Ändern der experimentellen Bedingungen, wie der Sputter-Pa rameter und der Filmdicke der magnetischen Schichten und der Siliziumoxidschichten, wurde keine Aussicht für eine prakti sche Verwendung der zuvor genannten Materialien und der Struktur mit mehreren geschichteten dünnen Schichten festge stellt.

Bei den oben beschriebenen Experimenten konnte festgestellt werden, daß die Frequenzabhängigkeit der magnetischen Per meabilität der aus mehreren geschichteten dünnen Schichten bestehenden Anordnung relativ gut ist. Dies kann so inter pretiert werden, daß die allgemeinen Eigenschaften von mag netischen Materialien der einzelnen magnetischen dünnen Filme nicht beeinflußt wird, wenn sie wie oben beschrieben, angeordnet werden und somit eine höhere magnetische Permea bilität nicht erreichbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschicht magnetkopf mit einem Magnetkern bereitzustellen, der mehrere Schichten mit hoher magnetischer Permeabilität in hohen Fre quenzbereichen aufweist, und geeignet ist, mit magnetischen Materialien mit hoher Koerzitivkraft für magnetische Auf zeichnungsmedien in einer Magnetplattenspeichervorrichtung verwendet zu werden. Außerdem soll ein Verfahren zur Her stellung eines derartigen Dünnschichtmagnetkopfes bereitge stellt werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Dünnschichtmagnetkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerich tet.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Dünnschichtmagnet kopfs weist eine magnetische Schaltung auf, die durch wech selweises Schichten einer magnetischen dünnen Schicht eines magnetischen Metalls mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen dünnen Schicht aus einem nicht magnetischen Metall gebildet wird.

Dabei kann die magnetische dünne Schicht eine amorphe Co-Le gierungsschicht mit einer Dicke innerhalb eines Bereichs von etwa 0,1 µm bis 0,5 µm sein.

Die Co-Legierung kann Zr innerhalb eines Bereichs von etwa 3 bis etwa 6 Atomprozent aufweisen.

Die Co-Legierung kann bis zu etwa 6 Atomprozent Nb aufwei sen.

Die nicht-magnetische dünne Schicht kann eine Dicke inner halb eines Bereichs von etwa 0,005 µm bis etwa 0,05 µm ha ben.

Die nicht-magnetische dünne Schicht kann aus Ta bestehen.

Das Verhältnis der Dicke der nicht-magnetischen dünnen Schicht zur Dicke der magnetischen dünnen Schicht kann in nerhalb eines Bereichs von etwa 0,01 bis etwa 0,5 liegen.

Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Dünnschichtmagnetkopf eine magnetische Schaltung auf, die durch wechselweises Schichten einer magnetischen dünnen Schicht aus magnetischem Metall mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen dünnen Schicht aus isolierendem Nitrid gebildet wird.

Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Magnet kopfes mit einer in einer dünnen Schicht ausgebildeten mag netischen Schaltung weist folgende Schritte auf:
Wechselweises Sputtern einer magnetischen Metallschicht mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen Schicht, um eine laminierte Schicht zum Bilden einer magne tischen Schaltung in einer Vakuumkammer zu bilden, die vor dem Sputtern zur Erzielung eines hohen Vakuums evakuiert wurde.

Während des Sputtern des Laminats wird ein Gasdruck in der Vakuumkammer von weniger oder gleich 6,65 × 10^-6 bar (5 mTorr) aufrechterhalten.

Vorzugsweise wird ein Gasdruck von weniger oder gleich 2,66^-6 bar (2 mTorr) in der Vakuumkammer aufrechterhalten.

Besonders bevorzugt wird das Sputtern durchgeführt, nachdem ein Gasdruck in der Vakuumkammer auf weniger oder gleich 1,33 × 10^-9 bar (10^-6 Torr) insbesondere weniger oder gleich 1,33 × 10^-10 bar (10^-7 Torr) reduziert wurde. Das Sputtern kann in einem magnetischen Feld durchgeführt werden.

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Teilschnitt einer erfindungsge mäßen Ausführungsform eines Dünnschichtmagnetkopfes,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt von mehrfach ge schichteten dünnen Schichten für eine magnetische Schaltung des Dünnschichtmagnetkopfes gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, das den Einfluß des Druckes in der vor dem Sputtern zum Auftragen der magnetischen dünnen Schichten einer mehrfach geschichteten dünnen Schicht evakuierten Vakuumkammer in Bezug zu der Koerzitivkraft darstellt,

Fig. 4 ein Diagramm, das den Einfluß des Druckes des atmosphärischen Gases beim Sputtern zum Auftragen der magnetischen dünnen Schichten zeigt,

Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der magne tischen Permeabilität einer mehrfach geschichteten dünnen Schicht und der Schichtdicke einer magneti schen dünnen Schicht darstellt,

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der magne tischen Permeabilität einer mehrfach geschichteten dünnen Schicht und der Dicke einer nicht-magneti schen dünnen Schicht darstellt,

Fig. 7 ein Diagramm, das die Frequenzabhängigkeit der mag netischen Permeabilität hinsichtlich eines Beispiels einer erfindungsgemäß mehrfach geschichteten dünnen Schicht und Vergleichsbeispielen darstellt,

Fig. 8 eine Aufsicht einer bekannten Struktur eines Dünn schichtmagnetkopfes,

Fig. 9 ein vergrößerter Teilschnitt eines bekannten Dünn schichtmagnetkopfes, und

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer hexagonalen magnetischen Domäne und einer dreieckigen magnetischen Domäne im oberen Endbereich einer magnetischen dünnen Schicht für einen Magnet kern in einem bekannten Dünnschichtmagnetkopf dar stellt.

Die zuvor genannten Probleme bei bekannten Dünnschichtmag netköpfen werden erfindungsgemäß durch Applizieren sauer stofffreier Materialien auf nicht-magnetische dünne Schich ten vermieden. Hierbei ist auf ein Phänomen aufmerksam zu machen, wonach die magnetischen Eigenschaften magnetischer dünner Schichten durch Sauerstoff in dem atmosphärischen Gas ungünstig beeinflußt werden, das beim Sputtern einer Sili ziumoxidschicht einer geschichteten dünnen Schicht verwendet wird.

Geschichtete dünne Filme werden durch wechselweises Sputtern magnetischer und nicht-magnetischer Materialien auf einem in einer Vakuumkammer angeordneten Substrat ausgebildet. Beim Sputtern eines nicht-magnetischen Targets aus z. B. Sauer stoff enthaltendem Siliziumoxid wird der Sauerstoff aus der Oberfläche des Targets herausgelöst und in dem atmosphäri schen Gas verteilt. In einem nachfolgenden Schritt des Auf trag-Sputterns einer magnetischen Schicht wird in dem atmosphärischen Gas enthaltener Sauerstoff teilweise in die magnetische Schicht übertragen, die aus metallischen Kompo nenten besteht. Folglich neigt der Sauerstoff in der magne tischen Schicht dazu, die magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht zu verschlechtern. Wird das elektrische Entladen auf das Target des Siliziumoxids im Experiment wäh rend des Sputterns einer magnetischen dünnen Schicht ge stoppt, verbessert sich die magnetische Permeabilität der geschichteten dünnen Schichten. Um den ungünstigen Effekt von Sauerstoff auf die magnetischen Eigenschaften der magne tischen Schichten zu reduzieren, wird bisher das atmosphäri sche Gas jedesmal nach dem Sputtern des Siliziumoxids er setzt. Dieses Verfahren erfordert ein Evakuieren der Vakuum kammer jedesmal nachdem das atmosphärische Gas ersetzt wurde, und es wird eine lange Zeitspanne benötigt, diesen Vorgang einige Male zu wiederholen, weshalb diese Methode nicht praktisch erscheint.

Erfindungsgemäß ist das zuvor genannte Problem mittels Aus bilden geschichteter dünner Schichten durch wechselweises Laminieren magnetischer dünner Schichten gelöst, die aus magnetischen Metallen und nicht-magnetischen dünnen Schich ten zusammengesetzt sind, die aus sauerstofffreien, nicht magnetischen Metallen oder isolierenden Nitriden bestehen.

Für die nicht-magnetischen metallischen Materialien in der zuvor genannten Struktur beschichteter dünner Schichten kon nen Ta, Ti, Mo, U, W, Zr, Nb, Au, Pt, Ag, Pb, Cu, Al, Si und deren Legierungen verwendet werden, wobei Ta zum Binden von Sauerstoff als Sauerstoffänger bevorzugt ist. Als Nitride für nicht-magnetische dünne Schichten ist z. B. Silizium nitrid bevorzugt.

Die ganze Struktur des Dünnschichtmagnetkopfes gemäß den Fi guren 1 und 2 ist dem Stand der Technik gemäß Fig. 8 ähn lich. Die Teile in den Fig. 1 und 2, die denen in den Fi guren 8 und 9 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 8 und 9 versehen und werden deshalb nicht nochmals beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt, der im wesentlichen dem in Fig. 9 entspricht. Das sich von Fig. 9 unterscheidende Merk mal in Fig. 1 ist eine geschichtete Struktur gemäß Fig. 2, wobei eine magnetische Schaltung 10 aus geschichteten Filmen für die Unterseite 11 und geschichteten Filmen für die Ober seite 12 besteht. Diese weist eine wechselseitig geschich tete Struktur von magnetischen dünnen Schichten 13 und nicht-magnetischen dünnen Schichten 14 auf. Die geschichte ten Schichten 11 und 12 haben eine Dicke von jeweils z. B. 2 µm. Zwischen den Schichten 11 und 12 ist ein Spalt G zum Le sen und Schreiben ausgebildet, wobei dessen Dicke durch die Dicke g der Lückenschicht 20 aus Aluminiumoxid oder Sili ziumoxid gebildet wird. Bei einem Magnetkopf einer Scheiben speichervorrichtung zum Speichern großer Mengen von Daten ist die Länge des Spalts G klein genug, z. B. 0,3 µm, um eine hohe Aufzeichnungsdichte zu erreichen. Die Breite des Spalts G beträgt dabei einige bis etwa 10 µm, um den engen Spuren auf den drehenden Scheiben folgen zu können. Gemäß Fig. 1 sind die geschichteten Schichten 11 und 12 an der anderen Endseite 10b des Substrats der magnetischen Schaltung 10 miteinander verbunden.

Als magnetische metallische Materialien für magnetische dünne Schichten 13 in geschichteten Schichten 11 und 12 sind Co-Legierungen bevorzugt, um Daten auf ein magnetisches Auf zeichnungsmedium mit hoher Koerzitivkraft zu schreiben. Die magnetische dünne Schicht 13 kann z. B. als ein amorphes Ma terial aus einer Co-Legierung mit etwa 3 bis etwa 6 Atompro zent Zr bestehen. Zusätzlich wird der magnetoelastische Ef fekt der magnetischen dünnen Schicht 13 bevorzugt durch Hinzufügen von Nb bis etwa 6 Atomprozent in die zuvor ge nannte Co-Legierung reduziert. Als nicht-magnetische Mate rialien für nicht-magnetische dünne Schichten 14 können ver schiedene Arten von nicht-magnetischen Metallen oder isolie renden Nitriden, von denen beide keinen Sauerstoff aufwei sen, verwendet werden. Insbesondere ist Ta als ein Sauer stoffänger bevorzugt, um Sauerstoff zu binden. Die nicht magnetische dünne Schicht 14 muß dünn genug sein, damit die magnetischen dünnen Schichten 13, die oberhalb und unterhalb der nicht-magnetischen dünnen Schicht 14 benachbart sind, wirkungsvoll magnetisch gekoppelt werden können. Dazu be trägt das Dickenverhältnis zwischen den dünnen Schichten 13 und 14 etwa von 0,01 bis etwa 0,5.

Obwohl magnetische dünne Schichten 13 und nicht-magnetische dünne Schichten 14 durch Aufdampfen im Vakuum ausgebildet werden können, ist im Fall des amorphen Ausbildens magneti scher dünner Schichten 13 aus Co-Legierungen mit guten magnetischen Eigenschaften Sputtern bevorzugt. Insbesondere ist das Gleichstrommagnetron-Sputtern bevorzugt. Zum Ausbil den geschichteter Schichten 11 und 12, die jeweils aus dün nen Schichten 13 und 14 auf dem Substrat 1 zusammengesetzt sind, wird das Sputtern durch Drehen eines Halters, der das Substrat 1 in einer evakuierten Ar-Gasatmosphäre hält, und durch Bewegen des Substrats 1 auf einem besonderen Target für die jeweiligen dünnen Schichtmaterialien durchgeführt. In diesem Fall kann die Dicke jeder der magnetischen dünnen Schichten 13 und nicht-magnetischen dünnen Schichten 14 prä zise durch Wählen einer Entladungsleistung, die an jedem Target anliegt, und der Zeitdauer, während der das Substrat 1 dem bestimmten Target ausgesetzt ist, gesteuert werden. Das heißt, im Fall des Ausbildens einer Schicht von 0,1 µm Dicke aus einer Co-Legierung kann eine Leistung von 450 W und eine Zeitdauer von 27 s gewählt werden.

Die Oberseiten-Schicht 12 und die Unterseiten-Schicht 11, die jeweils aus magnetischen dünnen Schichten 13 und nicht magnetischen dünnen Schichten 14 wie zuvor ausgebildet sind, sind so geformt, daß sie einen Magnetkern 10 des Dünn schichtmagnetkopfes gemäß Fig. 8 z. B. mittels Formen durch Ionenstrahlätzen bilden.

Magnetische Materialien für den magnetischen Schaltkreis 10 des Magnetkopfes müssen weiche magnetische Eigenschaften be sitzen, d. h. eine hohe Permeabilität und eine geringe Koer zitivkraft. Die magnetische dünne Schicht 13 im zuvor ge nannten Sputterverfahren hat eine Dicke von 1 µm, und ist auf einem Glassubstrat ausgebildet, und seine Komponenten weisen etwa 3,5 Atomprozent Zr bis etwa 6,5 Atomprozent Nb- Co auf. Die Beziehung zwischen diesen Schichtformbedingungen und der Koerzitivkraft der magnetischen dünnen Schichten 13 ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Vakuumdruck p vor dem Sputtern in der Vakuumkammer der Sputtervorrichtung, die die Targets und das Substrat enthält, und der Koerzitivkraft Hc der magnetischen dünnen Schicht 13 aus einer Co-Legierung. Gemäß Fig. 3 wird die Koerzitivkraft Hc weniger als 0,08 A/cm (0,1 Oe) durch Evakuieren der Vakuumkammer auf nicht mehr als 1,33 × 10^-10 bar (10^-7 Torr), wo die magnetische dünne Schicht 13 eine weichmagnetische Eigenschaft aufweist.

Fig 4 zeigt ferner die Beziehung zwischen dem Druck p des atmosphärischen Ar-Gases beim Sputtern in der Vakuumkammer und der Koerzitivkraft Hc. Fig. 4 kann entnommen werden, daß die Koerzitivkraft Hc weniger als 0,08 A/cm (0,1 Oe) durch Evakuieren der Vakuumkammer auf nicht mehr als 2,66 × 10^-6 bar (2 mTorr) beträgt, wo die magnetische dünne Schicht 13 eine weichmagnetische Eigenschaft aufweist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Beziehung zwischen der Schichtdicke t der magnetischen dünnen Schicht 13 aus der Co-Legierung und der nicht-magnetischen dünnen Schicht 14 aus im wesentlichen Ta und der magnetischen Permeabilität µ der geschichteten Schichten 11 und 12. Fig. 5 zeigt die ge messene magnetische Permeabilität µ der geschichteten Schichten bei 5 MHz, welches die höchste Frequenz darstellt, bei der der Magnetkopf verwendet wird, im Verhältnis zur Schichtdicke t der magnetischen dünnen Schicht 13 bei einer konstanten Schichtdicke der nicht-magnetischen dünnen Schicht 14 von 0,02 µm. Gemäß Fig. 5 kann die magnetische Permeabilität µ von < 4000 mit der Dicke der magnetischen dünnen Schicht 13 zwischen 0,1 µm und 0,50 µm erzielt wer den.

Wenn die Dicke der magnetischen dünnen Schicht 13 weniger als 0,1 µm beträgt, da das Dickenverhältnis der nicht-magne tischen dünnen Schicht 14 zur magnetischen dünnen Schicht 13 zu groß ist, wird angenommen, daß die Ausdehnung der drei eckigen magnetischen Domäne aufgrund einer unzureichenden magnetischen Kopplung zwischen benachbarten magnetischen dünnen Schichten 13 dominiert. Wenn die Dicke der magneti schen dünnen Schicht 13 größer als 0,5 µm ist, wird angenom men, daß die Dünnschichtkonfiguration nicht effektiv die Wirbelstromverlusterhöhungen im Bereich hoher Frequenzen re duziert.

Fig. 6 zeigt die gemessene magnetische Permeabilität µ der geschichteten Schichten bei 5 MHz, welches die höchste Fre quenz ist, mit der der Magnetkopf verwendet wird, in Bezug auf die Schichtdicke t der nicht-magnetischen dünnen Schicht 14 im Fall einer konstanten Schichtdicke der magnetischen dünnen Schicht 13 von 0,2 µm, was aus den Messungen gemäß Fig. 5 bestimmt wird. Gemäß Fig. 6 kann eine magnetische Permeabilität µ von < 4000 durch die Dicke der nicht-magne tischen dünnen Schicht 14 zwischen etwa 0,005 µm und etwa 0,05 µm erzielt werden. Wenn die Dicke der nicht-magneti schen dünnen Schicht 14 weniger als 0,005 µm beträgt, wird angenommen, daß sich einige Teile benachbarter magnetischer dünner Schichten 13 berühren und daß die nicht-magnetische dünne Schicht 14 nicht effektiv wirkt. Wenn die Dicke der nicht-magnetischen dünnen Schicht 14 größer als 0,05 µm be trägt, wird angenommen, daß die magnetische Kopplung zwi schen benachbarten magnetischen dünnen Schichten 13 nicht ausreicht.

Fig. 7 zeigt die Frequenzabhängigkeit der magnetischen Per meabilität µ in einigen geschichteten Schichten, die im Ex periment mit aus den zuvor genannten Messungen optimierten Parametern gebildet wurden. Die Kurve A entspricht der ge schichteten Schicht, wobei in der erfindungsgemäß ausgebil deten Probe A mit den folgenden Bedingungen gearbeitet wurde: Der Vakuumdruck vor dem Sputtern in der Vakuumkammer beträgt 6,65 × 10^-10 bar (5 × 10^-7 Torr) und der Gasdruck während des Sputterns in der Vakuumkammer 1,06 × 10^-6 (0,8 mTorr). Durch Gleichstrommagnetron-Sputtern wurde die magne tische dünne Schicht 13 mit einer Dicke von 0,2 µm aus einer Co-Legierung und die nicht magnetische dünne Schicht 14 aus im wesentlichen Ta wechselweise laminiert, wobei letztlich die Dicke der geschichteten Schicht 1 µm beträgt.

Die anderen drei beschichteten Schichten werden im Experi ment unter den folgenden Bedingungen ausgebildet:
Probe B1 (Kurve B1): eine einzige geschichtete Schicht mit 1 µm Dicke aus Co-Legierung wird durch das gleiche Sputterver fahren wie bei Probe A gebildet.

Probe B2 (Kurve B2): Eine mehrfach geschichtete Schicht mit 1 µm Dicke mit dünnen Schichten aus im wesentlichen Sili ziumoxid für nicht-magnetische dünne Schichten 14 und der magnetischen dünnen Schicht 13 aus einer Co-Legierung, wer den durch Zusammensputtern unter den gleichen Sputterbedin gungen wie bei Probe A gebildet. Beim Entladen des Sili ziumoxid-Targets, wird ein Hochfrequenzentlademodus verwen det.

Probe B3 (Kurve B3): Die Materialien, die Dicke der Schich ten und die Sputterbedingungen entsprechen Probe B2 und das Co-Legierungs-Target und das Siliziumoxidtarget werden wech selweise entladen.

Alle Proben A, B1, B2 und B3 werden auf einem quadratischen Glassubstrat mit 8 mm Kantenlänge gebildet und die Co-Legie rung weist die zuvor genannten Komponenten auf. Die magneti sche Permeabilität wurde durch ein Nebenschlußkernverfahren gemessen. Gemäß Fig. 7 ist die magnetische Permeabilität in der als eine einzige geschichtete Schicht ausgebildeten Probe B1 bei der unteren Frequenz höher, jedoch extrem ge ringer bei der höheren Frequenz. In der als eine mehrfach geschichtete Schicht ausgebildeten Probe B2 mit Siliziumoxid in den nicht-magnetischen dünnen Schichten ist die Fre quenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität eher gegen über Probe B1 verbessert, wobei jedoch die gesamte magneti sche Permeabilität wesentlich weniger als 4000 beträgt. So mit ist die Probe B2 für Magnetköpfe verwendbar. In der Probe B3, kann die Menge an aus dem Siliziumoxid gelösten Sauerstoff durch Ändern der Entladetargets beim Sputtern während der Sputteranlagerung der magnetischen dünnen Schicht reduziert werden. Folglich ist die magnetische Per meabilität gegenüber der Probe B2 weiter verbessert. Selbst bei der Probe B3 ist die magnetische Permeabilität im Hoch frequenzbereich um etwa 5 MHz nicht größer als 4000, weshalb die Probe B3 keine praktische Verwendung findet.

Im Vergleich mit den Proben B1, B2 und B3 ist bei Probe A die magnetische Permeabilität µ auf etwa 5000 verbessert und die Frequenzabhängigkeit fast vernachlässigbar. Die magneti sche Permeabilität µ ist selbst im Hochfrequenzbereich um etwa 5 MHz 4700. Da das Material für die nicht-magnetischen dünnen Schichten bei Probe A keinen Sauerstoff enthält und die magnetische dünne Schicht nicht durch Sauerstoff beein trächtigt ist, liegt die Co-Legierung mit ihrer hohen magne tischen Permeabilität vollständig in den magnetischen dünnen Schichten vor. Es wird zusätzlich angenommen, daß selbst die Verwendung einer metallischen Legierung, wie z. B. Ta als nicht-magnetische dünne Schichten nicht soviel Wirbelstrom verluste in Magnetschaltungen mit sich bringt.

Beim erfindungsgemäßen Ausbilden mehrfach geschichteter Schichten für Magnetschaltungen durch wechselweises Laminie ren magnetischer dünner Schichten aus magnetischen metalli schen Legierungen mit einer weichmagnetischen Eigenschaft und nicht-magnetischen dünnen Schichten aus nicht-magneti schem Metall, wobei diese jeweils eine angemessene Dicke aufweisen, und durch Verwendung des Sputterns ist es gün stig, daß die magnetische Permeabilität mehr als 4000 selbst im Hochfrequenzbereich für hochdichte Aufzeichnung, wie um etwa 5 MHz, erreicht werden kann, so daß der Kopf mit der zuvor genannten Struktur und Materialverarbeitung ein hohes Leistungsvermögen besitzt, Daten zu lesen und zu schreiben.

Auch vermeidet die Verwendung von Nitriden mit elektrisch isolierender Eigenschaft für die nicht-magnetischen dünnen Schichten, wie z. B. Siliziumnitrid, den ungünstigen Effekt von Sauerstoff auf den magnetischen dünnen Schichten, und es kann der Wirbelstromverlust im Hochfrequenzbereich reduziert werden, so daß die Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität weiter verbessert werden kann.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß das beim Sputtern in einer bestimmten Richtung ausgerichtete Magnetfeld mit etwa 39,8 A/cm bis etwa 47,8 A/cm (50 bis 60 Oe) die Magnetisierungs charakteristik magnetischer dünner Schichten eine magneti sche Anisotropie aufweisen kann und eine höhere magnetische Permeabilität der mehrfach geschichteten Schicht erzielt wird.

Die folgenden Vorteile ergeben sich beim erfindungsgemäßen Dünnschichtmagnetkopf durch das Ausbilden mehrfach geschich teter Schichten für magnetische Schaltkreise durch wechsel weises Laminieren dünner Schichten aus magnetischen Legie rungen mit weichmagnetischer Eigenschaft und nicht-magneti scher dünner Schichten aus nicht-magnetischem Metall, insbe sondere Ta oder elektrisch isolierende Nitride, und durch die Materialverarbeitung beim Herstellen des Dünnschichtmag netkopfes und durch das Sputtern mehrfach beschichteter dün ner Schichten, bei dem eine magnetische dünne Schicht aus magnetischen Legierungen und eine nicht-magnetische dünne Schicht aus nicht-magnetischen Materialien wechselweise in einer Vakuumkammer aufgelegt werden, die vor dem Sputtern mit einem großen Vakuum evakuiert wurde.

a) Da nicht-magnetische Metalle wie Ta, die Sauerstoff an sich binden, oder isolierende Nitride für nicht-magneti sche dünne Schichten verwendet werden, können die magne tischen dünnen Schichten beim Sputtern in einem sauer stoffreien atmosphärischen Gas ausgebildet werden. Des halb können durch das Beseitigen des ungünstigen Effekts von Sauerstoff gegenüber magnetischen Metallen zum For men magnetischer dünner Schichten inhärente Eigenschaf ten von magnetischen Metallen, wie eine hohe magnetische Permeabilität, innerhalb der mehrfach geschichteten Schichten für Magnetschaltungen vorliegen. Durch Steuern der Schichtdicke der magnetischen dünnen Schichten und nicht-magnetischen dünnen Schichten, so daß diese eine mehrfach geschichtete Schicht mit einem angemessenen Maß bilden, können die Wirbelstromverluste reduziert und die Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität ver bessert werden, um selbst im höheren Frequenzbereich eine hohe magnetische Permeabilität aufrechtzuerhalten. Somit kann erfindungsgemäß die Lese- und Schreibfunktion der Dünnschichtmagnetköpfe weiter für hochdichte Auf zeichnungsumgebungen verbessert werden.
b) Selbst bei magnetischen Metallen für magnetische dünne Schichten mit hoher Sättigungsmagnetkraftliniendichte, wie z. B. Co-Legierungen, wenn die mehrfach beschichtete Schicht für Magnetschaltungen eine hohe magnetische Per meabilität in höheren Frequenzbereichen aufweist, können erfindungsgemäß Hochleistungs-Dünnschichtmagnetköpfe in hochdichten Aufzeichnungsumgebungen mit einer hohen Koerzitivkraft bereitgestellt werden.
c) Da mehrfach beschichtete Schichten für Magnetschaltungen effizient innerhalb kurzer Zeit durch kontinuierliches Zusammensputtern zum wechselweisen Anordnen einer magne tischen Schicht und nicht-magnetischen Schicht ausgebil det werden können, bringt die Erfindung verschiedene Vorteile bei der Massenproduktion von Dünnschichtmagnet köpfen mit sich.

Die Erfindung ermöglicht die Massenproduktion von Dünn schichtmagnetköpfen mit hoher Leistungsfähigkeit beim Auf zeichnen von Daten auf magnetischen Medien mit hoher Dichte und Lesen solcher aufgezeichneter Daten. Das ermöglicht die Weiterentwicklung von Vorrichtungen zum Speichern großer Da tenmengen und Verbessern des Aufzeichnens und Lesens von Da ten mit Dünnschichtmagnetköpfen.

Claims

1. Dünnschichtmagnetkopf mit:
einer Magnetschaltung, die durch wechselweises Laminie ren einer magnetischen dünnen Schicht (13) aus magneti schem Metall mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen dünnen Schicht (14) aus einem nicht-magnetischen Metall gebildet wird.

2. Magnetkopf nach Anspruch 1, wobei die magnetische dünne Schicht (13) eine amorphe Co-Legierungsschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 µm bis etwa 0,5 µm ist.

3. Magnetkopf nach Anspruch 2, wobei die Co-Legierung 3 bis 6 Atomprozent Zr aufweist.

4. Magnetkopf nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Co-Legie rung bis etwa 6 Atomprozent Nb aufweist.

5. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die nicht-magnetische dünne Schicht (14) eine Dicke inner halb eines Bereichs von etwa 0,005 µm bis etwa 0,05 µm aufweist.

6. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die nicht-magnetische dünne Schicht (14) aus im wesentlichen Ta hergestellt ist.

7. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Dickenverhältnis der nicht-magnetischen dünnen Schicht (14) zur magnetischen dünnen Schicht (13) etwa 0,01 bis etwa 0,5 beträgt.

8. Dünnschichtmagnetkopf mit:
einer Magnetschaltung, die durch wechselweises Laminie ren einer magnetischen dünnen Schicht (13) aus einem magnetischen Metall mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen dünnen Schicht (14) aus einem isolierenden Nitrid gebildet wird.

9. Herstellungsverfahren für einen Magnetkopf, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Magnetschal tung, die in einer dünnen Schicht ausgebildet ist, mit den Schritten:
wechselweises Sputterauflegen einer magnetischen Metall schicht (13) mit weichmagnetischen Eigenschaften und einer nicht-magnetischen Schicht zum Bilden einer lami nierten Schicht für eine Magnetschaltung in einer Vakuumkammer, die vor dem Sputtern mit einem großen Va kuum evakuiert wurde.

10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei während des Sputterauflegens der laminierten Schicht ein Gasdruck in der Vakuumkammer von weniger oder gleich 6,65 × 10^-6 bar (5 mTorr) aufrechterhalten wird.

11. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Gasdruck in der Vakuumkammer von weniger oder gleich 2,66 × 10^-6 bar (2 mTorr) aufrechterhalten wird.

12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Sputtern durchgeführt wird, nachdem ein Gas druck in der Vakuumkammer auf weniger oder gleich 1,33¹⁰ bar (10^-6 Torr) reduziert wurde.

13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Sputtern durchgeführt wird, nachdem ein Gas druck in der Vakuumkammer auf weniger oder gleich 1,33 × 10^-10 bar (10^-7 Torr) reduziert wurde.

14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Sputtern in einem Magnetfeld durchgeführt wird.