DE69421780T2

DE69421780T2 - Magnetische Speicheranordnung

Info

Publication number: DE69421780T2
Application number: DE69421780T
Authority: DE
Inventors: Yukinori Ikegawa; Takahiro Imamura; Takao Koshikawa; Hiroshi Maeda; Yoshifumi Mizoshita; Yoshinori Ohtsuka
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2014-09-17
Also published as: US5717630A; JP2924630B2; JPH07141601A; DE69421780D1; EP0644529A2; EP0644529B1; EP0644529A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Magnetspeichervorrichtung, worin das Rastern oder Scannen einer Magnetspeichermedienoberfläche ohne Kontakt mit der Oberfläche durch die Verwendung einer Rastertunnelmikroskoptechnik durchgeführt wird.
Die Technologie des Rastersondenmikroskops, worauf im folgenden als SPM (scanning probe microscope) verwiesen wird, wurde in jüngster Zeit schnell entwickelt, und es wurden Versuche unternommen, eine diese Technologie verwendende magnetische Aufzeichnungsvorrichtung zu schaffen. Ein Magnetkraftmikroskop, worauf im folgenden als MFM (magnetic force microscope) verwiesen wird, hat eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht, wie im JOURNAL OF THE MAGNETICS SOCIETY OF JAPAN (Bd. 16, Nr. 3, 1992 S. 532-540) von Ookubo et al. berichtet oder wie in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung HEI 05-073850 von MIZOSHITA et al. offenbart wurde.
Das dort offenbarte Verfahren geht folgendermaßen. Eine Aufzeichnung von Daten in eine magnetische Domäne wird durch Zuführen eines Stroms zu einer Erregerspule ausgeführt, während die Spitze einer spitzen Magnetsonde mit einer Oberfläche des Aufzeichnungsmediums in Kontakt gehalten wird. Lesen der so senkrecht aufgezeichneten Daten von der magnetischen Domäne wird durch Detektieren einer von dem Magnetfeld der senkrechten Magnetisierungsbitdomäne verursachten Änderung in einer Einhüllenden der Amplitude eines Signals durchgeführt, das mit der MFM-Sonde aufgenommen wird, indem diese MFM-Sonde gescannt wird, während man die MFM-Sonde vibrieren läßt. Dieses Detektionsverfahren ist eine Anwendung eines kontaktfreien Atomkraftmikroskops, das eine Variante der oben erwähnten Technologie ist, zur Detektion einer magnetischen Kraft, d. h. des Gradienten.
In früher vorgeschlagenen Detektionsverfahren, die das MFM verwenden, wird die Rauhigkeit der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums unerwünschterweise als eine Änderung in der magnetischen Kraft detektiert und erzeugt folglich Rauschen, das mit dem detektierten Signal vermischt ist. Es war schwierig gewesen, die wiedergegebene Information geeignet vom Rauschen zu trennen.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd 12 Nr. 8A Januar 1990, Seiten 362-363 bezieht sich auf eine Struktur, die einen Magnetflußrückkehrweg für ein Vertikal-Aufzeichnungssystem mit hoher Dichte vorsieht. Es offenbart eine Magnetspeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beiliegenden Anspruchs 1, in der eine Schreibspule um die Sonde vorgesehen ist, um einen Schreibstrom zu leiten. Diese Spule kann auch als ein Magnetfluß-Detektierelement dienen; jedoch ist keine Leseoperation unter Verwendung dieses Magnetflusses offenbart.
US-A-5 212 680 offenbart eine Massenspeichervorrichtung mit einem Substrat, das Datenbits speichert, und einer Anordnung von Wandlern, die in bezug auf das Substrat durch einen Scan-Mechanismus bewegt wird. Es werden keine Details der Wandler angegeben; aber die bevorzugte Form der Vorrichtung ist ein elektrooptisches System, in dem jeder Lese/Schreib-Wandler sowohl eine Laserphotodiode als auch einen Photodetektor enthält.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 34, Nr. 3, August 1991, Seiten 124-125 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Mikrostrukturen unter Verwendung einer STM-Technologie. Es ist ein Beispiel eines magnetischen Lese/Schreibkopfes angegeben, der aus einem hohlen Konus aus einem elektrisch leitenden magnetischen Material besteht, der einen Zentrumskonus aus einem elektrisch leitenden, magnetisch isolierenden Material umgibt.
JP-A-57-164416 offenbart einen Magnetkopf für eine Vertikal-Magnetisierung-Aufzeichnung, der ein MR-Element oder ein Hall-Element verwendet.
Proceedings IEEE Micro Electrical Mechanical Systems, Travemünde, Deutschland, 4-7. Februar 1992, offenbart auf den Seiten 214-219 eine integrierte laterale Tunneleinheit mit einem Kammantriebsstellglied, das durch Mikrobearbeiten einer Siliziumscheibe gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Magnetspeichervorrichtung geschaffen mit: einem magnetischen Aufzeichnungsmedium; einer zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen und auch magnetischen Material gebildeten Sonde, wobei ein zugespitztes Ende der Sonde dem magnetischen Aufzeichnungsmedium über eine erste Lücke gegen überliegt; einem Magnetfluß-Detektierelement zum Detektieren eines Magnetflusses, der durch die Sonde fließt; und einer Lücke-Steuereinheit, um die erste Lücke durch die Verwendung eines Tunnelstroms konstant zu halten, der über die Lücke in die Sonde fließt, während über die Lücke eine Spannung angelegt ist; dadurch gekennzeichnet, daß: das Material der Sonde ein weichmagnetisches Material ist; ein Raster- oder Scan-Mechanismus zum Scannen der Sonde entlang dem magnetischen Aufzeichnungsmedium vorgesehen ist, so daß ein durch auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnete Daten erzeugter Magnetfluß durch die Sonde erfaßt wird; und das Magnetfluß-Detektierelement ein Magnetowiderstandselement ist, das in einem Weg des Magnetflusses vorgesehen ist, der durch die Sonde erfaßt wird, um diesen Fluß zu detektieren.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Magnetspeichervorrichtung liefern, die soweit wie möglich von dem Einfluß einer mechanischen Rauhigkeit der Medienoberfläche frei ist, d. h. imstande ist, Information mit weniger Rauschen auszulesen, wo das Scannen der Medienoberfläche ohne Kontakt mit der Medienoberfläche in einer zur Rastertunnelmikroskoptechnik ähnlichen Weise durchgeführt wird.
Die Magnetspeichervorrichtung kann ferner eine Erreger spule zum Magnetisieren der Sonde aufweisen, um Daten in dem Aufzeichnungsmedium zu schreiben.
Auf die beiliegenden Zeichnungen wird beispielhaft Bezug genommen, in denen:
Fig. 1 ein allgemeines Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht;
Fig. 2 eine erste bevorzugte Ausführungsform vor einer Installation eines Rückkehrjochs schematisch veranschaulicht;
Fig. 3A und 3B die erste bevorzugte Ausführungsform schematisch veranschaulichen, nachdem das Rückkehrjoch installiert ist;
Fig. 4 eine geneigte Ansicht der zweiten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 5A und 5B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der dritten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 6A und 6B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der vierten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 7A und 7B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der fünften bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 8A und 8B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der sechsten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 9 eine Draufsicht der siebten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 10 eine Draufsicht der achten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 11A und 11B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der neunten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 12 eine geneigte Ansicht der zehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 13 eine geneigte Ansicht der elften bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 14A und 14B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der elften bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen;
Fig. 15 eine Seitenansicht der zwölften bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 16 eine Seitenansicht der dreizehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 17 eine geneigte Ansicht der vierzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 18 eine geneigte Ansicht der fünfzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 19 eine geneigte Ansicht der sechzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 20 ein allgemeines Blockdiagramm der siebzehnten und achtzehnten bevorzugten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht;
Fig. 21 einen Querschnitt der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 22 eine geneigte Ansicht der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht;
Fig. 23 eine Prinzip-Draufsicht im Querschnitt eines Sägezahn-(Kammantrieb)-Stellglieds schematisch veranschaulicht;
Fig. 24A und 24B die Operationen des Sägezahn-Stellglieds schematisch veranschaulichen;
Fig. 25 eine Draufsicht der achtzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulicht; und
Fig. 26A und 26B die Operationen der achtzehnten bevorzugten Ausführungsform schematisch veranschaulichen.
Fig. 1 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines Geräts, das digitale Daten magnetisch aufzeichnet und auch wiedergibt, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ziffer I bezeichnet ein magnetisches Vertikal-Aufzeichnungsmedium, das weithin verwendet wurde, und ist mit einer Aufzeichnungsschicht 1-1, die typischerweise aus vertikal anisotropem Co-Cr mit einer Dicke von 200 nm gebildet ist, und einer Unterschicht 1-2 gebildet, die aus weichmagnetischem Ni-Fe mit einer Dicke von 500 nm gebildet ist.
Die horizontale Position einer Sonde 3 bezüglich des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 wird durch ein elektrostatisches Stellglied grob eingestellt, das vorzugsweise eine Abstoßung/Anziehung infolge einer elektrostatischen Kraft nutzt. Dieser Grobeinstellungsmechanismus ist in dieser Figur nicht dargestellt, kann jedoch aus der z. B. in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung HEI 05- 073850 offenbarten Struktur bestehen.
Diese Sonde 3 bewegt sich mittels dieses Grobeinstellungsmechanismus zu einem Zieldatenbit durch eine horizontale Bewegung des Aufzeichnungsmediums 1 oder der Sonde 3. Aufbau und Operation des Magnetkopfes der vorliegenden Erfindung bei der horizontalen Position, zu der die Sonde 3 so grob eingestellt und fixiert wurde, werden im folgenden erklärt. Die Spitze der Sonde 3, die später ausführlich beschrieben wird, liegt der Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 über eine vorbestimmte erste Lücke 2, z. B. mehrere Angström, gegenüber, die mittels einer Verti kal-Steuereinheit 4 eingestellt wird. Die Vertikal-Steuereinheit 4 (Lücke-Steuereinheit) weist einen Lücke-Antriebsmechanismus 4-3 und eine Lücke-Steuerschaltung 4-2 auf. Eine vorbestimmte Spannung, z. B. 2 V, wird über die erste Lücke 2 von einer in der Lücke-Steuerschaltung 4-2 enthaltenen Energieversorgung 4-1 angelegt. Die Lücke-Steuerschaltung 4-2 detektiert einen über die Lücke fließenden Tunnelstrom, z. B. etwa 2 nA, der durch die angelegte Spannung erzeugt wird, um die Lücke konstant zu halten, indem die vertikale Position des Lücke-Antriebsmechanismus 4-3 durch Konstanthalten des Tunnelstroms gesteuert wird. Als eine Alternative, um den Lückenzwischenraum zu detektieren, kann die Spannung über die erste Lücke detektiert werden, während man einen konstanten Tunnelstrom über die Lücke fließen läßt. Der Lücke-Antriebsmechanismus 4-3 weist gewöhnlich ein Piezoelement auf und trägt einen Scan- Antriebsmechanismus 6-2.
Ein Scan-Mechanismus 6 mit dem Scan-Antriebsmechanismus 6-2, der aus einem Piezoelement gebildet ist, wird durch eine Scan-Steuerschaltung 6-1 gesteuert, um den Magnetkopf, d. h. die oben erwähnte Sonde und ihre Peripherie- oder Umfangsteile, wie z. B. Joche, in einer Richtung parallel zur Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 mechanisch zu scannen, während die erste Lücke 2 zwischen der Sondenspitze und dem magnetischen Aufzeichnungsmedium konstant gehalten wird. Einzelheiten des Scan-Mechanismus werden später mit Verweis auf die Figuren erläutert.
Die Sonde kann sich zu einer benachbarten Spur mit der gleichen Scan-Richtung mittels eines Verschiebemechanismus verschieben, der ebenfalls ein Piezoelement verwendet. Dieser Verschiebemechanismus ist in den Figuren nicht dargestellt.
Eine Antriebstechnik mittels des STM ist weithin bekannt, wie z. B. in JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Bd. 16, Nr. 3, 1992, S. 504 usw. berichtet wird.
Die Sonde 3 ist koaxial mit einer Erregerspule 7-1 versehen. In einer Schreiboperation wird ein Erregerstrom von einer Energieversorgung 7-2 der Erregerspule 7-1 zugeführt. In einer Leseoperation detektiert eine Leseschaltung 8 eine Änderung im Magnetfluß, der durch die Sonde aufgenommen wird, durch die Änderung im elektrischen Widerstandswert eines Magnetfluß-Detektionselements, das z. B. aus einem Magnetowiderstandseffekt-Element 12 gebildet ist, auf das im folgenden als ein MR-Element verwiesen wird.
Als eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden ein Magnetkopf mit einer Sonde 3a, einem Magnetfluß-Detektionselement 12a und einem Rückkehrjoch 14a mit Verweis auf Fig. 2 und Fig. 3 erklärt. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Kopfes, bevor das Rückkehrjoch darin installiert wurde. Fig. 3A und B zeigen eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht mit dem schon installierten Rückkehrjoch. Auf ein flaches Tragsubstrat 10 aus Silizium ist eine Isolationsschicht 11- 1 z. B. aus einer 0,05 um bis 0,1 um dicken Aluminiumoxidschicht gebildet. Darauf ist ein MR-Element 12a aus z. B. einer Nickeleisenlegierung mit einer Dicke von etwa 200 Angström, einer Breite von etwa 4 um und einer Länge von etwa 20 um durch Sputtern oder Verdampfung etc. durch die Verwendung eines Photoresists gebildet.
Mit den beiden Längsenden des MR-Elements 12a sind Anschlußleiter 13-2 verbunden, die durch Ablagerung von Gold, Kupfer oder Aluminium gebildet wurden. Über all diesen Mustern ist eine zweite Isolationsschicht 11-2 z. B. aus einem Aluminiumoxidfilm mit einer Dicke von 0,05 um bis 0,1 um gebildet. Die Grenzlinie zwischen den ersten und zweiten Isolationsschichten 11-1 und 11-2 ist in Fig. 3B nicht gezeichnet. Diese beiden Isolationsschichten zusammen sind mit der Ziffer 11 bezeichnet. Die Isolationsschicht 11 ist in Fig. 2, Fig. 3A, Fig. 4 bis 13, Fig. 15 bis 19, Fig. 22, Fig. 25 und 26 nicht gezeichnet.
Auf der Isolationsschicht 11-2 ist ein Muster eines Rückkehrjochs 14a parallel mit und über der anderen langen Seite des MR-Elements 12a mit z. B. Nickeleisen in einer Dicke von 1 bis 2 um und einer größeren Fläche als das MR- Element 12a, z. B. mit einer Breite von 3 bis 10 um und einer Länge von etwa 50 um, gebildet, um mit einer langen Seite des MR-Elements 12a magnetisch zu koppeln. Ferner ist auf der Isolationsschicht 11-2 ein Muster eines Leiters 13- 1 aus Kupfer oder Aluminium mit einer Dicke von etwa 0,1 um und einer Breite von etwa 30 um durch die Verwendung eines Photoresists und eine Ablagerung gebildet, um den Tunnelstrom abzuleiten. Auf die Isolationsschicht 11-2 ist außerdem eine Konussonde 3a gemäß dem unten beschriebenen Verfahren gebildet, um den Außenanschluß-Leiter 13-1 elektrisch zu kontakten und auch mit dem MR-Element 12a magnetisch zu koppeln, indem eine Seite 3a-1 der Basis des Sondenkonus 3a über einer langen Seite des MR-Elements 12a angeordnet wird.
Die Sonde 3a liegt in Form eines Konus vor, der mit einem Material gebildet ist, das weichmagnetisch und auch elektrisch leitfähig ist, z. B. einer Nickeleisenlegierung, mit einem Durchmesser von etwa 20 um am Boden und einer Höhe von 10 um bis 30 um. Der Konus kann hergestellt werden, indem ein Zylinder in einem Loch, das in einem Resistmuster vorgesehen ist, durch Metallisieren gebildet wird; die Spitze des Konus wird dann durch Ionenfräsen geschärft. Der Konus in dieser Ausführungsform muß nicht genau ein Konus sein, solange die Spitze eine (zugespitzte) Nadelform aufweist. Dementsprechend ist eine Pyramidenform akzeptabel, wie später in weiteren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird.
Obgleich die Sonde als aus einer Nickeleisenlegierung bestehend beschrieben wurde, kann außerdem der Kernteil des Konus aus einem anderen nicht-magnetischen Material gebildet sein, z. B. Aluminium oder einem Isolator, wie z. B. Aluminiumoxid, solange die Spitze und die Oberfläche der Sonde weichmagnetisch sind.
Die Sonde und das Rückkehrjoch sind so angeordnet, daß sie dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 1 gegenüberliegen. Demgemäß wird über die Sonde 3a, das MR-Element 12a, das Rückkehrjoch 14a, eine zweite Lücke 2' zwischen dem Rückkehrjoch 14a und dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 1, die Unterschicht 1-2 und die erste Lücke 2 zwischen der Aufzeichnungsschicht 1-1 und der Sonde 3a ein geschlossener Magnetkreis gebildet. Der Fluß des Magnetflusses ist mit einer gestrichelten Linie in Fig. 3B dargestellt.
Die Sonde 3 scannt die Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 mittels des oben erwähnten Scan- Antriebsmechanismus 6-2, während die erste Lücke 2 mittels der oben erwähnten Vertikal-Steuereinheit 4 konstant gehal ten wird. Eine Richtung des Magnetflusses in dem oben erwähnten geschlossenen Magnetkreis ändert sich dann in Abhängigkeit von der Richtung des Magnetfeldes, das in der Aufzeichnungsmediendomäne aufgezeichnet ist, der die Sondenspitze gegenüberliegt. Eine mit dem Außenanschluß-Leiter 13-2 des MR-Elements 12a verbundene Leseschaltung 8 detektiert eine Änderung im Widerstandswert durch Detektieren einer Änderung im Strom oder in der Spannung über die MR- Elementlücke, während an das MR-Element eine konstante Spannung angelegt oder ihm ein konstanter Strom zugeführt wird.
Beim Betreiben des MR-Elements wird die Richtung der Magnetisierung im MR-Element um ungefähr 45 Grad bezüglich der Stromrichtung vormagnetisiert, wie weitgehend bekannt ist, um die Linearität der davon detektierten Ausgangswellenform zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden derartige Verfahren weithin verwendet, bei denen eine SAL-(Soft- Adjacent-Layer)-Vormagnetisierung über das MR-Element gelegt wird oder leitende Schichten auf das MR-Element gelegt werden, so daß das Magnetfeld des in der leitenden Schicht fließenden Stroms die Vormagnetisierung geeignet liefert.
Figuren und eine Erklärung der Vormagnetisierungsverfahren sind in Fig. 2 und 3 weggelassen, werden aber später als ein typisches Beispiel in der siebten bevorzugten Ausführungsform erklärt.
Beim Schreiben magnetischer Daten wird ein Erregerstrom von einer Energiequelle 7-2 der Erregerspule 7-1 in einer Richtung gemäß den zu schreibenden Daten zugeführt, während die Spitze der Sonde einem Magnetisierungsbit gegenüberliegt, in das die Daten geschrieben werden sollen.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 4 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird anstelle des Konus 3a eine Pyramide 3b verwendet, von deren Basis eine gerade Seite mit dem MR-Element 12a magnetisch gekoppelt ist. Diese Konfiguration ist insofern ausgezeichnet, als die Verteilung und auch der Winkel des von der Sonde zum MR- Elemert 12a fließenden Magnetflusses gleichmäßig sein kann, und insofern, als der Betrag der Überlappung der Basis auf dem MR-Element sicher und leicht gesteuert werden kann.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 5 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein ergänzendes Joch 15 aus einem weichmagnetischen Material, z. B. Nickeleisen, unter der Basis der Sonde 3a der ersten bevorzugten Ausführungsform zusätzlich vorgesehen, um die Sondenbasis zu einer langen Seite des MR-Elements 12a auszudehnen. Der Durchmesser des Abschnitts des ergänzenden Jochs 15 unter der Sonde 3c kann der gleiche wie oder ein wenig größer als die Basis der Sonde sein, und die Dicke kann die gleiche wie beim Rückkehrjoch 14a sein. Diese Konfiguration ist ähnlich der zweiten bevorzugten Ausführungsform insofern ausgezeichnet, als die Verteilung und auch der Winkel des von der Sonde 3c zum MR-Element 12a fließenden Magnetflusses gleichmäßig gemacht werden können.
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 6 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Rückkehrjoch 14b z. B. aus Nickeleisen in Form eines mit der Basis einer konusförmigen Sonde 3d koaxialen Ringes vorgesehen. Ein Paar MR-Elemente 12b sind radial und symmetrisch von der Basis der Sonde 3d vorgesehen, während sie von der Sonde 3d elektrisch isoliert, mit ihr aber magnetisch gekoppelt sind. Das andere Ende jedes MR-Elements 12b ist mit dem Rückkehrjoch 14b magnetisch gekoppelt, ist aber davon elektrisch isoliert. Beide Enden der MR-Elemente 12b sind jeweils mit Außenanschluß-Leitern 13-2a verbunden. Obwohl der Außenanschluß-Leiter der Sonde 3d nicht dargestellt ist, sind die Stellen, wo die Außenanschluß-Leiter sich mit dem Ringrückkehrjoch 14b schneiden, oder die Stellen, wo die Außenanschluß-Leiter 13-2a des MR-Elements 12b sich mit dem Rückkehrjoch 14b schneiden, von dem Rückkehrjoch durch eine Isolationsschicht 11 isoliert, die in Fig. 6 nicht dargestellt ist. Diese Konfiguration ist insofern ausgezeichnet, als der magnetische Widerstand des oben erwähnten geschlossenen Magnetkreises wegen des großen Rückkehrjochs verringert werden kann, und auch insofern, als die Entmagnetisierung des MR-Elements durch den Magnetfluß verringert werden kann, der von der Sonde entlang einer Längsrichtung des MR- Elements fließt.
Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 7 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Rückkehrjoch 14c z. B. aus Nickeleisen in Form eines kreisförmigen Bogens koaxial mit der Basis einer Sonde 3e nur für ein Viertel ihres zentralen Winkels, d. h. 90 Grad, vorgesehen. Ein MR- Element 12c in Form eines kreisförmigen Bogens koppelt magnetisch das Rückkehrjoch 14c und Umfänge der Basis der Sonde 3e. Außenanschluß-Leiter 13-2b sind mit den beiden Enden des kreisförmigen Bogens des MR-Elements verbunden. Diese Konfiguration ist insofern ausgezeichnet, als der aus der Sonde radial leckende Magnetfluß effizient detektiert werden kann.
Eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 8 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Rückkehrjoch 14d in einer Ringform koaxial mit der Basis einer Sonde 3f in einer Nadelform vorgesehen. Das Rückkehrjoch 14d ist z. B. aus Nickeleisen mit einer Dicke von 2 um und einer Breite von 10 um gebildet. Das ringförmige MR-Element 12d koppelt das Rückkehrjoch 14d mit dem Umfang der Basis der Sonde 3f magnetisch. Das MR-Element 12d ist aus Nickeleisen mit z. B. einer Dicke von 0,02 um und einer Breite von 4 um gebildet. Der Ring des MR-Elements 12 ist entlang einer Linie 12d-1 geschnitten, die radial von der Mitte der Sonde ausgeht. Außenanschluß-Leiter 13-2c sind mit so geschnittenen Enden des MR-Elements 12d verbunden, während sie vom Rückkehrjoch 14d isoliert sind. In dieser Konfiguration kann der Großteil des in die Sonde fließenden Magnetflusses effizient aus ihrer Basis in das MR-Element entnommen werden. Da das Rückkehrjoch groß und auch vollständig um einen Umfang der Sonde angeordnet ist, kann außerdem der magnetische Widerstand des geschlossenen Magnetkreises verringert werden. In dieser koaxialen Konfiguration ist es jedoch schwierig, den Winkel des Abfühlstroms um etwa 45 Grad bezüglich der Magnetisierung des MR-Elements wie oben erwähnt zu neigen.
Eine siebte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 9 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind mehrere elek trisch leitende Elektroden 16, die z. B. durch Ablagerung von Gold gebildet wurden, in Kontakt mit einer oberen oder unteren Oberfläche des MR-Elements 12 von Fig. 8 gegen radiale Linien des Kreises der Sondenbasis geneigt. Dies ist ein weithin bekanntes Verfahren, Stab-Stab-Pol (Bar-Bar- Pole) genannt. Sammelt jede Elektrode 16 einmal den Abfühlstrom, der entlang dem kreisförmigen Bogen des MR-Elements 12d fließt, wird der Strom geleitet, um entlang dem kürzesten Weg zur benachbarten Elektrode zu fließen. Richtungen des Abfühlstroms, der zwischen zwei benachbarten Elektroden 16 fließt, sind durch einen Pfeil angezeigt. Eine geeignete Anordnung der Form und Lage von Elektroden 16 erlaubt, daß die Richtung des Abfühlstroms im wesentlichen 45 Grad bezüglich des Magnetflusses geneigt ist, wie mit einem anderen Pfeil angezeigt ist. Folglich kann eine ausgezeichnete lineare Vormagnetisierung erreicht werden.
Das MR-Element und das Rückkehrjoch, wie oben erwähnt in der Ringform gebildet, können außerdem als eine Magnetspule in der Schreiboperation genutzt werden, während in das MR-Element oder das Rückkehrjoch Strom zugeführt wird, wie im folgenden ausführlich beschrieben wird.
Eine achte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 10 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Rückkehrjoch 14b von Fig. 6 mit einem Doppelwirbel (Spulenform) 17a gebildet, mit dessen beiden Enden Außenanschluß-Leiter 18a verbunden sind, um zwei Funktionen, d. h. als Erregerspule und als Rückkehrjoch, auszuführen. Dieses Rückkehrjoch 17a, das gleichzeitig als eine Erregerspule dient, ist z. B. aus Nickeleisen mit einer Dicke von 2 um und einer Breite von 5 um gebildet. In einer Schreiboperation sind Außenanschluß-Leiter 18a mit einer Energieversorgung 7-2 verbunden, um einen Erregerstrom von z. B. 50 mA dem/der Rückkehrjoch/Erregerspule 17a zuzuführen. Zwei der MR- Elemente 12e koppeln eine Sonde 3d magnetisch mit dem Innenring des/der Rückkehrjochs/Erregerspule 17a. Außenanschluß-Leiter 13-2a & 18a und das/die Rückkehrjoch/Erregerspule 17a, die sich miteinander wie in einer Draufsicht von Fig. 10 gezeigt schneiden, sind voneinander elektrisch isoliert.
Eine neunte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 11 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das/die Rückkehrjoch/Erregerspule 17b durch einen seriell verbundenen Doppelstapel aus zwei der Rückkehrjoche von Fig. 6 gebildet, wo die Enden der seriellen Verbindung mit Außenanschluß-Leitern 18b verbunden sind, um gleichzeitig zwei Funktionen als Erregerspule und Joch zu erfüllen. Jedes Rückkehrjoch im Stapel des/der Rückkehrjochs/Erregerspule 17b ist aus z. B. Nickeleisen mit einer Dicke von 2 um und einer Breite von 5 um gebildet. Spulen im Doppelstapel sind mit einem Aluminiumoxidfilm, der in der Figur nicht gezeigt ist, in der zur Isolationsschicht 11 ähnlichen Weise voneinander isoliert.
Eine Veranschaulichung des Außenanschluß-Leiters der Sonde wurde ähnlich Fig. 5 in Fig. 6 bis 12 weggelassen. Schnittpunkte mit den MR-Elementen etc., die man in der Draufsicht sieht, sind mit einer Isolationsschicht isoliert. In den Konfigurationen der oben erwähnten achten und neunten bevorzugten Ausführungsformen ist die Sondenmagnetisierungseffizienz in der Schreiboperation ausgezeichnet, weil die Erregerspule nahe der Sonde angeordnet ist.
Eine zehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 12 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird anstelle des Konus 3a oder der Pyramide 3b ein dreieckiger Dünnfilm 3e mit einem spitzen Winkel an der Spitze (Scheitelpunkt) verwendet. Die Dünnfilmsonde 3e ist durch ein Dreieck aus einer Nickeleisenlegierung mit einer Dicke von etwa 1 um, einer Breite an der Basis von 10-20 um und einer Höhe von 10-20 um mit einem Scheitelwinkel von etwa 20 Grad gebildet. Nur eine Basisseite dieses Dünnfilmdreiecks ist befestigt, so daß der Großteil des Dreiecks in den Zwischenraum, d. h. frei schwebend oder in die "Luft" (midair), vorragt. Die Größe ist jedoch so klein, daß die Sonde ausreichend verläßlich gehalten werden kann. Da diese Sonde aus einem Dünnfilm auf einer Oberfläche 10'-1 eines Tragsubstrats 10' gebildet werden kann, können die Zusammensetzung oder ihre magnetischen Charakteristiken, wie z. B. die anisotropen Charakteristiken, einfacher erreicht werden, und die Sonde wird einfacher hergestellt als die Sonde vom Konus/Pyramidentyp der ersten bis neunten bevorzugten Ausführungsformen.
Die Sonde der zehnten bevorzugten Ausführungsform kann durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Muster eines MR-Elements 12f und dessen Außenanschluß-Leiter 13-1 bzw. 13-2 werden auf einer (in Fig. 12 nicht gezeigten) Isolationsschicht auf dem Tragsubstrat 10' aus Silizium mit einer Dicke von z. B. 400 um gebildet. Darauf wird ein zweiter (in der Figur nicht gezeigter) Aluminiumoxidisolationsfilm auf einer Fläche mit Ausnahme der Enden des Außenanschluß-Leiters 13-1 der Sonde gebildet. Als nächstes werden eine Sonde 3e an einer Stelle, wo die Sondenbasis mit dem MR-Element 12f magnetisch koppelt und den Außenanschluß- Leiter 13-1 berührt, und ein Rückkehrjoch 14a durch Metallisieren oder Sputtern etc. auf der zweiten Isolationsschicht gebildet. Als nächstes wird die gesamte Oberfläche mit Ausnahme der Sonde mit einem Resistmaterial beschichtet. Das freigelegte Silizium des Substrats unterhalb der Sonde wird durch einen Ätzprozeß entfernt, so daß das zugespitzte Ende der Sonde 3e frei schwebend oder in der Luft zurückgelassen wird.
Eine elfte bevorzugte Ausführungsform vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 13 und Fig. 14 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Dünnfilm 3f der Sonde 3e der zehnten bevorzugten Ausführungsform ganz auf dem Tragsubstrat 10" befestigt. Nachdem das MR-Element 12f und deren Außenanschluß-Leiter 13-2a (in Fig. 14A nicht gezeigt) auf einer Isolationsschicht 11-1 aus Aluminiumoxid auf dem Tragsubstrat 10" aus Silizium mit einer Dicke von etwa 400 um durch Ablagerung oder Metallisieren gebildet sind, wird auf der gesamten Oberfläche eine (in Fig. 13 nicht dargestellte) Isolationsschicht 11-2 z. B. aus Aluminiumoxid gebildet. Außerdem werden darauf eine dreieckige Dünnfilmsonde 3f mit einem Scheitelwinkel von etwa 30 Grad und ein Rückkehrjoch 14a gebildet, um jeweils mit den beiden Längsseiten des MR-Elements 12f magnetisch zu koppeln; und ein Außenanschluß-Leiter 13-1a der Sonde 3f wird durch die Verwendung eines Photoresists gebildet. Schließlich wird ein gewisser Teil des Tragsubstrats durch Ätzen oder maschinelles Bearbeiten entfernt so daß das zugespitzte Ende des Tragsubstrats 10" unterhalb der Sonde sich mit dem zugespitzten Ende det Sonde 3f deckt. Zu diesem Zeitpunkt darf das zugespitzte Ende des Tragsubstrats sich nicht über das zugespitzte Ende der Sonde hinaus erstrecken. Der in der horizontalen Ebene des Tragsubstrats ersichtliche Winkel des zugespitzten Endes sollte der gleiche wie oder größer als der Winkel des zugespitzten Endes der Sonde, dementsprechend typischerweise 60-90 Grad, sein. Wenn man ihn von der Seite des Tragsubstrats aus betrachtet, ist der Winkel des zugespitzten Endes des Substrats in Kontakt mit der Sonde etwa rechtwinkelig. Der Vorteil dieser Konfiguration ist, daß die Sonde gegen einen äußeren Stoß widerstandsfähig und auch einfach zu handhaben ist.
Als eine zwölfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Verweis auf Fig. 15 Lagen der Sonde und des Tragsubstrats der elften bevorzugten Ausführungsform bezüglich des magnetischen Auszeichnungsmediums erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform liegt eine Substratoberfläche 10"-1, die eine Dünnfilmsonde 3f, ein MR-Element 12f und ein Rückkehrjoch 14a trägt, der Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 gegenüber, ist aber um einen Winkel von etwa 45 Grad bezüglich der Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums geneigt. Diese Anordnung erlaubt, daß das Sondenende das magnetische Aufzeichnungsmedium leicht erreicht, ohne Gefahr zu laufen, daß ein anderer Abschnitt als das Sondenende das magnetische Aufzeichnungsmedium berühren kann.
Als eine dreizehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden eine Anordnung einer Sonde vom Konustyp und des Tragsubstrats bezüglich des magnetischen Aufzeichnungsmediums, die in den ersten bis neunten bevorzugten Ausführungsformen gebildet wurden, mit Verweis auf Fig. 16 erklärt. In dieser bevorzugten Ausführungsform liegt eine Substratoberfläche 10-1, die eine Sonde 3 vom Konustyp, ein MR-Element und ein Rückkehrjoch trägt, der Oberfläche eines magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 gegenüber, ist aber bezüglich der Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums geneigt. Diese Anordnung erlaubt, daß das Sondenende das magnetische Aufzeichnungs medium leicht erreicht, ohne sich darum zu sorgen, daß der andere Abschnitt als die Spitze der Sonde, wie z. B. ein externer Leiter 22, das magnetische Aufzeichnungsmedium berührt.
Als eine vierzehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden eine Anordnung der Sonde 3e vom frei schwebenden Typ (midair type) und des Tragsubstrats bezüglich des magnetischen Aufzeichnungsmediums, die in der zehnten bevorzugten Ausführungsform gebildet wurden, mit Verweis auf Fig. 17 erklärt. In dieser Konfiguration ist eine Substratoberfläche 20-2, die eine Sonde 3e vom Luft-Typ, ein MR-Element und ein Rückkehrjoch darauf trägt, zu einer anderen Oberfläche 20-1 orthogonal, die der Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums 1 gegenüberliegt. Es ist vorteilhaft, daß dem Umstand keine Beachtung geschenkt werden muß, daß die Außenanschluß-Leiter 13- 2 und ihr (in Fig. 17 nicht dargestellter) externer Leiter das magnetische Aufzeichnungsmedium berühren.
Eine fünfzehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 18 erklärt. Ein Träger 30 für den Scan-Mechanismus ist mit einer Siliziumplatte mit einer Dicke von z. B. 20-50 um und einer Breite von 200-400 um und einer Länge von 10 mm parallel zu einem magnetischen Aufzeichnungsmedium gebildet. Auf einer Oberfläche des Trägers an seinem freien Ende 30-4 sind eine Sonde 3a vom Konustyp, ein MR-Element 12e und Außenanschluß-Leiter gebildet. In der Nähe des anderen Endes, d. h. eines befestigten Endes 30-3 des Trägers 30, weist nur der Kernteil 30-1 des Trägers 30 eine Verlängerung entlang der Längsrichtung des Trägers auf. Zwei Piezoelemente 31 sind jeweils auf beiden Seiten der Verlängerung 30-1 koplanar mit der Verlängerung 30-1 vorgesehen. Ein Ende eines Piezoelements 31 ist mit einer Schulter 30-2 des Trägers 30 jeweils mechanisch gekoppelt. Wenn eine Steuerspannung abwechselnd an eines der beiden Piezoelemente 31 angelegt wird, schiebt das spannungsgetriebene der Piezoelemente 31 eine jeweilige der Schultern 30-2 des Trägers. Folglich bewegt sich das freie Ende 30-4 des Trägers, d. h. die Sonde, in der mit einem Pfeil in Fig. 18 dargestellten Richtung parallel zur Platte des Trägers 30, um das magnetische Auf zeichnungsmedium 1 zu scannen. Die Piezoelemente 31 werden vorzugsweise mit einer Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz des die Sonde tragenden gesamten Trägers, z. B. 1 kHz, in der Scanrichtung angesteuert. Die Konfiguration von Fig. 18 ist beim Herstellen einer Sonde vom Konustyp vorteilhaft.
Eine sechzehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 19 erklärt. Ein Träger 32 ist mit einer Siliziumplatte mit z. B. einer Dicke von 20-50 um, einer Breite von 200-400 um und einer Länge von 10 mm orthogonal zum magnetischen Aufzeichnungsmedium gebildet. Eine Sonde 3e vom Dünnfilmtyp, ein MR-Element 12f und das Rückkehrjoch, die in der zehnten bevorzugten Ausführungsform erklärt wurden, sind auf einem offenen Ende eines Scan-Trägers 32 installiert. Ein zugespitztes Ende der Sonde 3e ragt vom Träger nach außen vor. Zwei Piezoelemente 33 sind jeweils in der Nähe des anderen Endes, d. h. eines befestigten Endes 32-3 des Trägers 32, auf die beiden Seiten des Trägers geklebt. Bei Anlegen einer Steuerspannung abwechselnd an eines der Piezoelemente 33 dehnt sich das Piezoelement mit der daran angelegten Spannung aus, um die Trägerseite auszudehnen, an der das Piezoelement befestigt wurde. Folglich biegt sich der Träger elastisch entlang dem in Fig. 19 gezeigten Pfeil, während das offene Ende 32-4, das die Sonde trägt, in der zum magnetischen Aufzeichnungsmedium 1 orthogonalen Richtung steif ist.
Die Konfiguration von Fig. 19 ist beim Herstellen einer Sonde vom Dünnfilmtyp vorteilhaft. Die Konfiguration von Fig. 19 ist ebenfalls insofern vorteilhaft, als die mechanische Resonanzfrequenz des gesamten Trägers niedrig ist, um einen großen Hub des Scannens zu ermöglichen.
Der Träger 30 oder 32 und dessen Piezoelement 31 oder 33, die in der fünfzehnten bzw. sechzehnten bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, bilden den Scan- Antriebsmechnanismus 6-2 von Fig. 1.
Die befestigten Enden 30-3 und 32-3 der Scan-Träger 30 und 32 sind jeweils an dem Lücke-Antriebsmechanismus 4-3 befestigt, der sich entlang einer Richtung Z vertikal zur Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums bewegt, wie in Fig. 18 und 19 gezeigt ist. In diesem Lücke- Antriebsmechanismus 4-3 wird vorzugsweise ein Stapel aus mehreren piezoelektrischen Elementen verwendet, die jeweils aus einer dünnen Platte mit Elektroden auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen gebildet sind, an die eine Steuerspannung angelegt wird, um eine Ausdehnung, den Hub, zu erzeugen.
Eine siebzehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 20 bis Fig. 24 erklärt. Diese bevorzugte Ausführungsform kann mit einer Dünnfilmsonde verwendet werden, die in die Luft vorragt, d. h. über eine Endseite 10"-2 eines Tragsubstrats 10" von Fig. 12 hinaus vorragt. Das zugespitzte Ende der Sonde ist vor der Scanposition geschützt, außer während des Scannens des Aufzeichnungsmediums, um das zugespitzte Ende der Sonde davor zu schützen, die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums zu berühren, was von einem unabsichtlichen äußeren Stoß bewirkt wird. Auf dem hinteren Ende einer Sonde 3g ist ein Sondenschutzmechanismus 40 vorgesehen, um die Sonde hinter eine Endseite 10'''-1 eines Tragsubstrats 10''' wie in Fig. 20 und 21 schematisch gezeigt zurückzusetzen.
Die Konfiguration des Sondenschutzmechanismus 40 ist in Fig. 21 und 22 schematisch dargestellt. Die Konfiguration wird im folgenden durch Beschreiben des Herstellungsverfahrens des Sondenschutzmechanismus 40 erklärt.
(1) Auf einem typischerweise aus Silizium gebildeten Tragsubstrat 10''', dessen beide Oberflächen mit einem (in Fig. 21 und 22 nicht dargestellten) Film aus Siliziumdioxid (SiO&sub2;) typischerweise durch eine thermische Oxidation geschützt sind, wird eine Isolierschicht (43 und 43') typischerweise aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub2;) mit einer Dicke von 2 um als eine Opferschicht gebildet.
(2) Darauf wird eine 3 um dicke Polysiliziumschicht (41, 44, etc.) gebildet.
(3) Auf einer Isolationsschicht z. B. aus Aluminiumoxid auf der Polysiliziumschicht werden ein MR-Element 12g und dessen Außenanschluß-Leiter 13-2 durch die Verwendung von Muster- und Ätzverfahren gebildet.
(4) Eine zweite Isolierschicht 11-2g, die sich in einer Alkalilösung, typischerweise SiO&sub2;, nicht zersetzt, wird auf der Fläche gebildet, um ein bewegliches Substrat 41 zu werden, außer der Fläche, wo das MR-Element 12g und dessen Außenanschluß-Leiter 13-2 und die Sonde 3g hergestellt werden sollen. Die Isolierfilme 11-1g und 11-2g sind in Fig. 22 nicht veranschaulicht.
(5) Die Sonde 12g wird auf dem beweglichen Substrat 41 gebildet, so daß eine Seite der Sonde mit einer Seite des MR-Elements 12g magnetisch koppelt.
(6) Auf der Isolationsschicht 11g wird ein Rückkehrjoch 14g gebildet, um mit einer anderen Seite des MR-Elements magnetisch zu koppeln.
(7) Die gemäß den obigen Schritten (1) und (2) gebildete Polysiliziumschicht wird mit einem Resistmuster auf einer Fläche beschichtet, um Kammzähne 42a des elektrostatischen Stellglieds, die Antriebsschicht 44 und das bewegliche Substrat 41 und ihr Verbindungsteil, die Tragschicht 45, Tragstäbe 46 (elastische Träger) zu bilden, um das bewegliche Substrat 41 mit der Tragschicht 45 und der Sonde 3g zu verbinden, und dann geätzt, um den beweglichen Teil und die Kammzahnstruktur herzustellen.
(8) Eine unterhalb des beweglichen Substrats 41 gelegene Opferschicht 43' aus Aluminiumoxid wird mit einem isotropen Ätzen durch die Verwendung einer Alkalilösung, typischerweise Natriumhydroxid (NaOH) etc., entfernt. Während dieses Ätzvorganges, um das gesamte Aluminiumoxid unterhalb des beweglichen Substrats 41 zu entfernen, dringt das Ätzmittel auch unter die Fläche ein, die eine Antriebsschicht 44 wird, was ein gewisses Ätzen der Fläche zur Folge hat, in die es eingedrungen ist. Eine Opferschicht 43 bleibt jedoch ausreichend zurück, um die Antriebsschicht 44 und Tragschichten 45 zu halten.
(9) Der Rand des Tragsubstrats 10''' wird mit einem Diamantschneider geschnitten, so daß das zugespitzte Ende der Sonde 3g um eine vorbestimmte Distanz, z. B. 5 um, über den Rand 10'''-1 des Tragsubstrats 10''' hinaus vorragt. In dem Fall, in dem das Tragsubstrat eine Siliziumscheibe ist, kann die Verarbeitung zum Entfernen statt mit dem Schneidprozeß leicht durch ein anisotropes Ätzen entlang dem Kri stall der Scheibe mit Kalilauge (KOH) vorgenommen werden, nachdem der Schutzfilm aus Siliziumoxid entfernt ist. In Fig. 22 zeigt die schraffierte Fläche Oberflächen, wo die Opferschicht 43' entfernt wurde.
Eine Prinzipkonfiguration eines Kammantriebsstellglieds ist in Fig. 23 in Draufsicht gezeigt, in der die Struktur der Kammzähne vergrößert (übertrieben) ist. Mehrere Kammzähne 42a der Antriebsschicht 44, die am Tragsubstrat befestigt ist, und mehrere Kammzähne 42b des beweglichen Substrats 41 dringen wechselseitig in die Zwischenräume der Kammzähne der gegenüberliegenden Seiten ein. Jede der Seiten und der Enden der Kammzähne ist durch Zwischenräume von jeder der gegenüberliegenden getrennt. Das bewegliche Substrat 41 wird entlang der Richtung des Hubs flexibel getragen, dargestellt mit den Pfeilen in der Figur, wobei zwei Tragstäbe 46 in der zum Hub des beweglichen Substrats 41 orthogonalen Richtung verlaufen.
Bei Anlegen einer vorbestimmten Gleichspannung über die gegenüberliegenden Sätze von Kammzähnen werden elektrostatische Ladungen auf den Seiten der wechselseitig gegenüberliegenden Kammzähne erzeugt, wodurch eine elektrostatische Kraft in einer Richtung erzeugt wird, um die Fläche der gegenüberliegenden Seiten zu vergrößern. Folglich wird eine Komponente der elektrostatischen Kraft erzeugt, um die gegenüberliegenden Sätze der Kammzähne wechselseitig anzuziehen.
In Fig. 24A und 24B sind die Positionen des beweglichen Substrats 41, das die Sonde 3g trägt, bezüglich des Tragsubstrats 10''' und auch das Biegen der Tragstäbe 46 für zwei Fälle schematisch veranschaulicht, in denen die Spannung über die wechselseitig gegenüberliegenden Sätze von Kammzähnen angelegt bzw. nicht angelegt ist. Das heißt, damit die Sonde 3g die Aufzeichnung/Wiedergabeoperation nicht ausführt, wird die Spannung an das elektrostatische Kammantriebsstellglied 42 angelegt, so daß sich das Sondenende durch die wechselseitig anziehende Kraft ins Innere der Endseite 10'''-1 des Tragsubstrats 10''' zurückzieht. Damit die Sonde 3g arbeitete wird die an das elektrostatische Kammantriebsstellglied 42 angelegte Spannung weggenommen, um die Biegung der Tragstäbe 46 zu lösen, um zu ermögli chen, daß das Sondenende über die Endseite 10'''-1 des Tragsubstrats hinaus nach außen vorragt.
Das elektrostatische Kammantriebsstellglied wurde in typischer Weise in "An Integral Tunneling Unit", IEEE, Micro Electric Mechanical Systems '92, S. 214-218 und "POLYSILICON MICROSTRUCTURES TO CHARACTERIZE STATIC FRICTION", Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Februar 1990, S. 82-88 von Kobayashi etc. offenbart.
Der durch die Sonde 3g detektierte Tunnelstrom wird durch das bewegliche Substrat 41, den Tragstab 46 und die Tragschicht 45 nach außen geleitet. Eine Veranschaulichung des Außenanschluß-Leiters von der Tragschicht und der Antriebsschicht zur Außenseite ist weggelassen.
Eine wechselseitige Beziehung der Stapelreihenfolge der Sonde, des Rückkehrjochs, des MR-Elements, der Isolationsschicht 11g dazwischen und des Außenanschluß-Leiters in der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform kann diejenige der Struktur der bevorzugten Ausführungsform bis zur sechzehnten sein.
Eine achtzehnte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Verweis auf Fig. 25 und Fig. 26 erklärt. Das Verfahren zum Herstellen dieser bevorzugten Ausführungsform ist im wesentlichen das selbe wie bei der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform; entsprechend ist eine ausführliche Erklärung der Struktur weggelassen. In Fig. 25 veranschaulicht die schraffierte Fläche auch die Oberfläche, nachdem die Opferschicht darauf entfernt wurde. Eine Antriebsschicht 55 ist auf beiden Seiten der Sonde vorgesehen. Deshalb ist außerdem ein elektrostatisches Kammantriebsstellglied 52 zwischen einem beweglichen Substrat 51 und Antriebsschichten 55 zwischen beiden Seiten der Sonde geteilt. Wenn die Sonde betrieben werden soll, schiebt das elektrostatische Kammantriebsstellglied 52 die Sonde über die Endseite 10'''-2 des Tragsubstrats hinaus nach außen, indem die Lücke durch Anlegen der Steuerspannung reduziert wird.
Die achtzehnte bevorzugte Ausführungsform ist von der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform verschieden und ihr gegenüber insofern vorteilhaft, als der Aufbau der elektronischen Schaltung einfach wird, weil die Steuerspannung an das elektrostatische Kammantreibsstellglied nur angelegt wird, wenn die Sonde in Betrieb ist.
In den obigen bevorzugten Ausführungsformen wurde auf Silizium als ein Beispiel des Tragsubstrats verwiesen. Dies geschah, weil das Ätzen von Silizium leicht ausgeführt wird. Selbstverständlich können jedoch andere nichtmagnetische Isolatoren, z. B. Glas, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid oder ein Harz, anstelle von Silizium verwendet werden.
In den obigen bevorzugten Ausführungsformen wurde auf Nickeleisen als ein typisches Material für die Sonde verwiesen. Selbstverständlich können jedoch anstelle von Nickeleisen andere Arten weichmagnetischer Materialien, wie z. B. Eisennitrid (FeN) etc., verwendet werden.
Obgleich in der siebzehnten und achtzehnten bevorzugten Ausführungsform typischerweise auf eine Sonde aus einem Dünnfilm verwiesen wurde, können selbstverständlich andere Sondentypen, wie z. B. eine Sonde vom Konustyp der ersten bevorzugten Ausführungsform, ebenso in dem Sondenschutzmechanismus verwendet werden.
Der Isolationsfilm und dessen Ätzlösung, worauf in der Beschreibung der siebzehnten bevorzugten Ausführungsform verwiesen wurde, sind nur ein Beispiel. Selbstverständlich kann eine beliebige Kombination eines anderen Isolationsfilmmaterials und dessen Ätzlösungen dafür verwendet werden, solange ihre Funktionen erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Magnetspeichervorrichtung mit einer extrem kleinen Struktur erreicht, die eine Schreib- und Lesefähigkeit mit sehr hoher Dichte ermöglicht, während Rauschen vermieden wird, das von einem Scannen in Kontakt mit der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums verursacht wird.
Die vielen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der ausführlichen Beschreibung ersichtlich, und folglich sollen die beigefügten Ansprüche alle derartigen Merkmale und Vorteile der Verfahren abdecken, die in den wahren Umfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Magnetspeichervorrichtung mit:

einem magnetischen Aufzeichnungsmedium (1);

einer Sonde (3, 3a-3g), die zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen und auch magnetischen Material gebildet ist, ein zugespitztes Ende der Sonde dem magnetischen Aufzeichnungsmedium über eine erste Lücke (2) gegenüberliegend;

einem Magnetfluß-Detektierelement (12) zum Detektieren eines durch die Sonde fließenden Magnetflusses; und

einer Lücke-Steuereinheit (4), um die erste Lücke durch die Verwendung eines Tunnelstroms konstant zu halten, der über die Lücke in die Sonde fließt, während eine Spannung über die Lücke angelegt ist; dadurch gekennzeichnet, daß:

das Material der Sonde (3, 3a-3g) ein weichmagnetisches Material ist;

ein Scan-Mechanismus (6) zum Scannen der Sonde entlang dem magnetischen Aufzeichnungsmedium (1) vorgesehen ist, so daß ein durch auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnete Daten erzeugter Magnetfluß durch die Sonde erfaßt wird; und

das Magnetfluß-Detektierelement (12) ein Magnetowiderstandselement ist, das in einem Weg des durch die Sonde erfaßten Magnetflusses vorgesehen ist, um diesen Fluß zu detektieren.

2. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit:

einer Erregerspule (7-1, 17a, 17b) zum Magnetisieren der Sonde, um Daten in dem magnetischen Aufzeichnungsmedium zu schreiben.

3. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruche, worin das magnetische Aufzeichnungsmedium (1) senkrecht magnetisch ist.

4. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zumindest das zugespitzte Ende der Sonde (3, 3a-3g) in Form eines Konus, einer Nadel oder einer Pyramide vorliegt und zumindest eine Oberfläche der Sonde aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist.

5. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Sonde im wesentlichen orthogonal zu einer Oberfläche (10, 10-1, 30) angeordnet ist, auf der das Magnetfluß-Detektierelement (12) gebildet ist.

6. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Sonde aus einem Dünnfilm (30, 3f) mit einem scharfen zugespitzten Ende gebildet ist.

7. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 6, worin eine Basis der Sonde auf einem Tragsubstrat (10', 32) befestigt ist, das zugespitzte Ende frei ist und die Basis von dem zugespitzten Ende der Sonde verschieden ist.

8. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 6, worin die Sonde ganz auf einem nicht-magnetischen Tragsubstrat (10") befestigt ist und das zugespitzte Ende der Sonde auf einem Rand (10"-1) des Tragsubstrats ist.

9. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Ende des Magnetfluß-Detektierelements (12a) mit einer Basis (30-1, 3b-1) der Sonde oder einem ergänzenden Joch (15) magnetisch gekoppelt ist, das mit der Basis der Sonde magnetisch gekoppelt ist, ein anderes Ende des Magnetfluß-Detektierelements mit einer Seite eines Rückkehrjochs (14) magnetisch gekoppelt ist und das zweite Joch mit dem magnetischen Aufzeichnungsmedium über eine zweite Lücke (2') zwischen dem zweiten Joch und dem magnetischen Aufzeichnungsmedium magnetisch gekoppelt ist.

10. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin eine Basis (3b-1) der Sonde (3b) oder eine Seite (15-1) eines ergänzenden Jochs (15), von dem eine andere Seite mit einer Basis der Sonde magnetisch gekoppelt ist, gerade gebildet ist und das Magnetfluß-Detektierelement (12a, 12f) parallel zur geraden Seite (3b-1, 15-1) angeordnet ist.

11. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, worin das Magnetfluß-Detektierelement (12a) radial von einer Basis der Sonde (3d) angeordnet ist.

12. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, worin eine Basis (3e-1) der Sonde (3e, 3f) im wesentlichen kreisförmig ist und das Magnetfluß-Detektierelement (12d) in Form eines Bogens vorliegt, um entlang der kreisförmigen Basis (3e-1) angeordnet zu sein.

13. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, worin eine Basis (3f-1) der Sonde (3f) im wesentlichen kreisförmig ist und das Magnetfluß-Detektierelement (12d) koaxial um die kreisförmige Basis angeordnet ist, worin das Magnetfluß-Detektierelement (12d) entlang einer radialen Öffnung (12d-1) geschnitten ist, wobei zwei Enden des Magnetfluß- Detektierelements (12d) bei der Öffnung Anschlüsse sind, um einen Strom in dem Magnetfluß-Detektierelement abzuleiten.

14. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, worin mehrere nicht-magnetische Leiter (16) in Kontakt mit einer oberen oder einer unteren Oberfläche des Magnetfluß- Detektierelements (12d) angeordnet sind, wobei die Leiter bezüglich der Tangente des Bogens oder einer Ringform des Magnetfluß-Detektierelements geneigt sind.

15. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 9, worin das Rückkehrjoch (14b, 17a, 17b) im wesentlichen koaxial um die Sonde (3d) angeordnet ist, worin zumindest an einer einzigen Stelle ein Innenrand des zweiten Jochs mit dem Magnetfluß-Detektierelement (12b, 12e) magnetisch gekoppelt ist.

16. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 13, worin das Magnetfluß-Detektierelement (12d) als eine Erregerspule zum Magnetisieren der Sonde genutzt wird, um durch Zuführen eines Stroms dazu Daten aufzuzeichnen.

17. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 15, worin das Rückkehrjoch (17a, 17b) als eine Erregerspule zum Magnetisieren der Sonde genutzt wird, um Daten aufzuzeichnen, indem ein Strom dazu zugeführt wird.

18. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 17, worin das Rückkehrjoch in Form einer Spirale (17a) gebildet ist, die im wesentlichen koaxial um die Sonde (3d) angeordnet ist.

19. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 17, worin das Rückkehrjoch aus einem Stapel mehrerer Ringe (17b) gebildet ist, die im wesentlichen koaxial um die Sonde (3d) angeordnet sind.

20. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, worin eine erste Oberfläche (10-1) des Tragsubstrats zumindest die Sonde (3), das Magnetfluß-Detektierelement (12) und einen Außenanschluß-Leiter (13) trägt, wobei die erste Ober fläche (10-1) dem magnetischen Aufzeichnungsmedium (1) gegenüberliegt und bezüglich einer Oberfläche des magnetischen Aufzeichnungsmediums geneigt ist, so daß ein externer Leiter (22) auf der Außenseite sich von dem magnetischen Aufzeichnungsmedium weiter entfernt befindet als die Sonde.

21. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 5, worin eine zweite Oberfläche (20-2) des Tragsubstrats zumindest die Sonde (3e), das Magnetfluß-Detektierelement (12) und einen Außenanschluß-Leiter (13-2) aufweist, wobei die zweite Oberfläche im wesentlichen orthogonal zu einer ersten Oberfläche des Tragsubstrats ist, die dem magnetischen Aufzeichnungsmedium gegenüberliegt.

22. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: einem Träger (30) zum Scannen der Sonde entlang dem magnetischen Aufzeichnungsmedium, wobei eine Oberfläche (13- 5) des Trägers parallel zum magnetischen Aufzeichnungsmedium ist und die Oberfläche des Trägers zumindest die Sonde (3), das Magnetfluß-Detektierelement (12e) und den Außenanschluß-Leiter trägt.

23. Magnetspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner mit: einem Träger (32) mit einer zum magnetischen Aufzeichnungsmedium orthogonalen Oberfläche (32-1) zum Scannen der Sonde entlang dem Medium; wobei zumindest die Sonde (3e), das Magnetfluß-Detektierelement (12f) und der Außenanschluß-Leiter auf der Oberfläche (32-1) des Trägers gebildet sind.

24. Magnetspeichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: einem Sondenschutzmechanismus (40) zum Zurückziehen eines zugespitzten Endes der Sonde (3g) bis hinter eine Endseite (10'''-1, 10'''-2) eines Tragsubstrats (10'''), wenn die Sonde nicht in Betrieb ist, wobei die Sonde auf dem Tragsubstrat getragen wird und der Sondenschutzmechanismus auf einem beweglichen Teil der Lücke-Steuereinheit (4) installiert ist.

25. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 24, worin die Sonde (3g) auf dem Tragsubstrat beweglich installiert ist und der Sondenschutzmechanismus (40) aufweist:

ein bewegliches Substrat (41) zum Tragen eines hinteren Ende der Sonde und auch Bewegen auf dem Tragsubstrat (10'''); und

ein Stellglied (42) zum Betätigen des beweglichen Substrats.

26. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 25, worin die Sonde (3g) und das bewegliche Substrat (41) auf einer Oberfläche parallel zu einer Oberfläche des Tragsubstrats (10''') gebildet sind.

27. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 26, worin die Sonde (3g) im wesentlichen orthogonal zu einer Endseite (10'''-1) des Tragsubstrats (10''') gebildet ist.

28. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 25, 26 oder 27, worin das Stellglied (42) ein elektrostatisches Stellglied ist.

29. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 28, worin das bewegliche Substrat (41) und eine Antriebsschicht (44), die dem beweglichen Substrat über das elektrostatische Stellglied (42) gegenüberliegt, aus Silizium gebildet sind und worin wechselseitig gegenüberliegende Teile des Stellglieds (42) in der Form von Kammzähnen vorliegen.

30. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 29, worin das bewegliche Substrat (41) darauf ein Rückkehrjoch (41a), das Magnetfluß-Detektierelement (12g) und einen Außenanschluß-Leiter (13-3) trägt; und das bewegliche Substrat über elastische Träger (46) durch das Tragsubstrat (10''') getragen wird.