JP2004140362A - 反応性イオンエッチングによる磁気抵抗センサキャップの除去方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 磁気抵抗センサに対する損傷を最小にし、且つ後続の層が形成される面を清浄ににして磁気抵抗センサからタンタルキャップを除去する方法を実現することにある。
【解決手段】 製造中、強磁性自由層を有する磁気抵抗センサは、共通してタンタルキャップ層を備えている。このタンタルキャップ層は製造中にセンサを保護し、典型的にはアニーリング実行後に除去される。フッ素反応性イオンエッチングでタンタルキャップを除去すると、揮発性の低いタンタル/フッ素副生成物が残る。本発明はタンタル/フッ素副生成物を除去するためアルゴン/水素反応性イオンエッチングを使用する方法を提供するものである。得られたセンサはフッ素副生成物の存在によって生じる損傷が非常に少ない。
【選択図】 図７
【解決手段】 製造中、強磁性自由層を有する磁気抵抗センサは、共通してタンタルキャップ層を備えている。このタンタルキャップ層は製造中にセンサを保護し、典型的にはアニーリング実行後に除去される。フッ素反応性イオンエッチングでタンタルキャップを除去すると、揮発性の低いタンタル/フッ素副生成物が残る。本発明はタンタル/フッ素副生成物を除去するためアルゴン/水素反応性イオンエッチングを使用する方法を提供するものである。得られたセンサはフッ素副生成物の存在によって生じる損傷が非常に少ない。
【選択図】 図７
Description
本発明は、例えばコンピュータ・ディスク・ドライブに使用される磁気抵抗センサに関し、特に、製造中に磁気抵抗センサのキャップを除去する方法に関するものである。
磁気抵抗センサは、磁気ディスク・ドライブによく使用されている。デジタル情報の磁気記録を使用するディスク・ドライブによって、情報の大部分を現代のコンピュータ・システムに記憶している。ディスク・ドライブは、別々の同心状データトラックを有する少なくとも１つの回転ディスクを備えている。
又、各ディスク・ドライブは、典型的には磁気抵抗センサである別々の書き込み要素と読み取り要素を有する少なくとも１つの記録ヘッドを備えている。記録ヘッドはスライダに設けられ、このスライダはサスペンションに取り付けられている。
記録ヘッド、スライダ、サスペンションの組み合わせたものは、ヘッド・ジンバル・アセンブリと称されている。さらに、目的の特定トラック上に記録ヘッドを位置決めするアクチュエータがある。
まず、アクチュエータが回転して目的のトラックをシークし、そのトラック上に記録ヘッドを位置決めした後、記録ヘッドをそのトラックに対して近接した整合状態に保持する。ディスク・ドライブのディスクは、基材及びこの基材上に磁気記録用の磁気層を備えている。
記録ヘッドを支持しているスライダは、エアベアリングが形成されるディスク対向面を備えている。エアベアリングによりスライダは空気クッション上を浮動し、ディスク面に近接して位置決めすることができる。或いは、ディスクに面しているスライダ面は、ディスクとの部分的接触又は連続的接触に対しても適応可能である。
情報の記録密度が絶え間なく高くなるのに伴い、読み取り要素はより小さく、かつ、感度が良くならねばならない。小型の読み取り要素がその感度を増すことは、極めて困難なことである。感度の著しいロスを伴う読み取り要素の製造における処理工程は、大型のセンサでは許容できるが、一般に、小型のセンサでは受け入れられない。
磁気抵抗センサは、磁気記録を用途とする読み取り要素として広汎に使用されている。磁気抵抗センサは又、磁気ランダム・アクセス・メモリ・アレイ（MRAM）としても使用される。最近の磁気抵抗センサは薄膜スタックを介する電子スピン輸送の外部磁界変調を基にしている。センサを介するこの電子輸送の変調は、センサを介して検出電流を流し有効抵抗を測定することによって測定することができる。センサ内の変化を検出する目的で使用される電流は、センサ・スタックの面内を流れる（面内電流又はCIPセンサと呼ばれている）。
スピン・バルブ・センサとも称される巨大磁気抵抗（GMR）センサは、典型的にはCIPセンサである。他の形式の磁気抵抗センサ（ＣＰＰセンサと称されている）は、センサ・スタックに直交する電流を検出するものである。トンネル接合磁気抵抗センサは典型的にはＣＤＰセンサとして構成されている。
磁気抵抗センサの製造中、薄膜スタックが形成され、次に典型的にはタンタルのキャップ層が薄膜スタック上に形成される。タンタル層は、アニーリングを含む後続の処理中にセンサ・スタックの損傷を防止する。多くのセンサ製造方法においては、タンタル層は電気リード線の形成といった後続の工程前に完全に又は部分的に除去可能である。
タンタルは、センサ・スタックの保護のためには優れた材料であるが、下層のセンサに損傷をもたらさずに除去することが困難な材料である。タンタル層はイオンミリングにより除去出来る。しかしながら、イオンミリングは、タンタルのみを選択することはできず、通常はセンサ・スタックに損傷をもたらす程活性化している。エネルギーが低く、選択的な反応性イオンエッチングも使用可能である。
タンタルの除去に際してはフッ素反応イオンエッチング（RIE）が有効である。しかしながら、RIE中に形成されたタンタル・フッ素副生成物は極めて揮発性が低い。従ってフッ素反応性イオンエッチング後は、センサ・スタックの表面には通常相当量の残留するタンタル・フッ素副生成物が存在している。この残留物は、腐食を開始し、交換結合強度を低下させ、センサ・スタックと、引き続き形成される電気リード線との間の電気的抵抗を増加させ、感度ロスをもたらすように作用する。
従って、磁気抵抗センサに対する損傷を最小にし、且つ後続の層が形成される面を清浄にする、磁気抵抗センサからタンタルキャップを除去する方法が必要とされている。
本発明の好適な実施態様では、磁気抵抗センサからタンタルキャップ層を除去した後に残留するタンタル又はフッ素副生成物を除去するためのアルゴン/水素RIE処理を使用する方法を提供する。この好適な実施態様は、磁気モーメント損失といった、下層の自由層に対する損傷を最小にする方法を提供するものである。この好適な実施態様は又、腐食開始体のない清浄な面を磁気抵抗センサに残すものである。
本発明の好適な実施態様においては、磁気抵抗スタックを形成し、磁気抵抗スタックにタンタルキャップを形成し、フッ素RIEによりタンタルキャップを除去し、アルゴン/水素RIE処理で磁気抵抗センサの表面を洗浄することを含む、磁気抵抗センサのタンタルキャップを除去する方法が提供される。フッ素RIEはCHF3及びCF4の気体混合物により低エネルギー雰囲気内で実行可能である。アルゴン／水素RIE処理は、アルゴンおよび水素の気体混合物により低エネルギー雰囲気で実行可能である。本方法の好適な実施態様は磁気記録で使用されるセンサ及びMRAMで使用されるセンサに適用可能である。
本発明の他の態様と他の諸利点については、本発明の原理を一例として図示した図面および以下の詳細な説明から明らかとなろう。
以下、本発明の実施例を図面にしたがって具体的に説明する。
本発明は、磁気抵抗センサに対して著しい損傷をもたらさず、かつ電気リード線を形成する極めて清浄な面を提供する、磁気抵抗センサにおけるタンタルキャップ層を除去する新規な方法を提供するものである。この方法は、磁気抵抗センサにおける磁気モーメント・ロスを著しく低減する。本方法の好適実施態様は、感度の相当のロスが致命的となるような小型センサを製造する際に、特に重要である。
図１を参照すると、磁気ディスク・ドライブ１００は、スピンドル１０４で支持され、（不図示の）モータにより回転される少なくとも１つの回転磁気ディスク１０２を備えている。少なくとも１つのスライダ１０６を有し、このスライダ１０６には、読み取りと書き込みを行うときに、磁気ディスク１０２の表面上方に位置決めされる記録ヘッド１０８が取り付けてある。
スライダ１０６はサスペンション１１０に取り付けられ、サスペンション１１０はアクチュエータ１１２に取り付けてある。アクチュエータ１１２は磁気ディスク・ドライブ１００のハウジング１１６に回動可能に支持され、ボイス・コイル・モータ１１８によって駆動される。
ディスクの回転中に、アクチュエータ１１２は、スライダ１０６を目的のデータトラックにアクセスするため、サスペンション１１０と共に半径方向に位置決めされるか、又は磁気ディスク１０２の表面上で弧状経路１２０に沿って位置決めされる。
図１を参照すると、磁気ディスク・ドライブ１００の作動中に、スライダ１０６に対する回転磁気ディスク１０２の運動によって、スライダ１０６と磁気ディスク１０２の間にエアベアリングが発生し、このエアベアリングがスライダ１０６に対して上方向の力を与える。上方向力は、スライダ１０６を磁気ディスク１０２の表面に対して付勢するサスペンション１１０からのバネ力により均衡状態となる。あるいは、スライダ１０６は、作動中に磁気ディスク１０２の表面と部分的に又は連続的に接触してもよい。
図２は、スライダ２０２を更に詳細に示す図である。記録ヘッドは好適にはスライダ２０２の後方面２０６に構成されている。図２は、記録ヘッドの書き込み要素の上方電極２０８とコイル２１４の巻線２１０を示す。読み取り要素は図２には図示されていない。書き込み要素および読み取り要素と接続する電気接続パッド２１２が図示されている。
図３は、スライダのディスク面側から見た、記録ヘッド３００の磁気的に活性化した部分を示す図である。書き込み要素の電極チップ３０２が図示されている。読み取り要素３０４は、多数の薄膜からなるサンドイッチ構造である。この読み取り要素となる磁気センサ３０４のサンドイッチ構造は、センサ・スタックとして知られている。センサ・スタック３０４は、再生信号の空間的解像度を改善する２つの磁気シールド３０６の間に配置される。記録ヘッドは、基材としてスライダ本体３０８を使用して構成されている。
磁気抵抗センサは、種々の形状と構造を有することが出来る。大部分の構造の共通した態様は、製造中にタンタルキャップが使用される点である。以下、本発明の２つの実施態様について検討する。これら２つの実施態様が例示的なものであること、又、当業者が他のセンサ設計と構造に本発明を適用可能であることを認識することは理解されるであろう。
＜実施例１＞
本発明の第１実施態様を図４aないし図４dに図示する。図４に図示されている実施態様は、強磁性自由層４０２が、交換タブで磁気的に安定化されるGMRセンサの製造方法に関するものである（以下に詳細に説明する）。
＜実施例１＞
本発明の第１実施態様を図４aないし図４dに図示する。図４に図示されている実施態様は、強磁性自由層４０２が、交換タブで磁気的に安定化されるGMRセンサの製造方法に関するものである（以下に詳細に説明する）。
図４aは、（不図示の）基材上に形成されたGMRスタック４１２を図示している。GMRスタック４１２には固着層４０６、非磁性導電層４０４及び自由層４０２が含まれている。自由層４０２はGMRスタック４１２の最上層である。タンタル層４０８はGMRスタック４１２上に形成されている。最後に、タンタル層４０８上にはパターン化されたフォト・レジスト層４１０が形成されている。
図４bは、タンタル層４０８の露出部分を除去するためのフッ素反応性イオンエッチング（RIE）４１４の使用について図示したものである。フォト・レジスト層４１０で保護されるタンタル層４０８の一部４０９のみがフッ素RIE４１４の後でも残っている。フッ素RIE４１４中に少量の露光によって自由層４０２も除去されることがある。
フッ素RIEを行う典型的な条件として、約０ないし５０sccmの範囲におけるCHF3と約１０ないし４０sccmの範囲のCF4の混合物含む気体を約１０mTorr未満の圧力で使用することが含まれる。プラズマ誘導カップリング・システムにおいては、コイル電力は典型的には約１００ないし５００Wであり、RF電力は約５ないし５０Wであり、RFバイアスの大きさは典型的には約１５０V以下にすべきである。これらの条件下において、典型的なブランケット・タンタルエッチングの速度は、毎分あたり約１５０ないし５００Åである。
図４cは、アルゴン/水素RIE処理４１６を用いる洗浄工程の使用を図示したものである。アルゴン/水素RIE処理４１６の使用によりフッ素反応性イオンエッチング(RIE)414後に残留しているタンタル/フッ素副生成物が除去される。好適なRIE処理条件には圧力が１５０ｍTorr未満、好適には約１０ないし１００ｍTorrの圧力にて約２５ないし７５sccmの範囲内のアルゴンと水素の混合気と併せて気体を使用することが含まれる。
この気体混合物内の水素の量は重要なものではなく、２容積％の低い値からほぼ１００容積％にわたることが出来る。コイル電力は約５０ないし５００Wにすることが出来、RF電力は典型的には約１０W未満であり、RFバイアスの大きさは好適には約５０V未満である。下層スパッタリングの防止には極めて低いバイアスが好適である。
図４dは、アルゴン/水素RIE処理４１６の実行後に続く交換タブと電気リード線の形成を示す。典型的には、自由層４０２の現存する露出強磁性材料に少量の付加的な強磁性材料４１８を添加してもよい。
次に、PtMn、NiMn及びIrMnのような反強磁性材料４２０を自由層４０２の露出部分に形成する。最終的に電気リード線４２２を形成する。反強磁性層４２０は、強磁性層４１８と結合交換する。従って、反強磁性層４２０および自由層４０２の結合部分は交換タブと称される。交換タブGMR構造の形成の際、アルゴン/水素RIE処理による残留タンタル/フッ素副生成物の除去は特に重要である。残存するフッ素残留物は交換磁界を減らし、リード線の抵抗を高め、従って、センサの感度と安定性を効果的に低減する。残存フッ素も腐食を加速する。
＜実施例２＞
図５aないし図５hは、本発明の第２実施態様を図示している。図５aは、固着層５０６、非磁性導電性層５０４及び自由層５０２を含むセンサ・スタック５１２を図示している。センサ・スタック５１２は基材５２２上に形成されている。センサ・スタック５１２はタンタル層５０８で被覆され、タンタル層５０８上方に形成されたパターン化された第１フォト・レジスト層５１０がある。
＜実施例２＞
図５aないし図５hは、本発明の第２実施態様を図示している。図５aは、固着層５０６、非磁性導電性層５０４及び自由層５０２を含むセンサ・スタック５１２を図示している。センサ・スタック５１２は基材５２２上に形成されている。センサ・スタック５１２はタンタル層５０８で被覆され、タンタル層５０８上方に形成されたパターン化された第１フォト・レジスト層５１０がある。
図５bは、イオンミリング５４０が実施された後を図示している。第１フォト・レジスト層５１０の真下に存在しているセンサスタック５１２の層５０３、５０５、５０７は、イオンミリング工程５４０の後に残り、第１フォト・レジスト層５１０で保護されない層の該当部分が除去される。
図５cはセンサ・スタック５１２に隣接して形成された硬質バイアス層５２４の形成を図示している。硬質バイアス層５２４は永久磁石材料で形成され、自由層５０３を磁気的に安定化する。
図５ｄは、パタ-ン化された第１フォト・レジスト層５１０を除去し、パターン化された第２のフォト・レジスト層５１１を形成した後の状態を図示している。パターン化された第２のフォト・レジスト層５１１の特徴幅５３０は、元のフォト・レジスト層５１０の特徴幅５３２より狭くなっている。第２のフォト・レジスト層５１１の特徴幅５３０が、第１のフォト・レジスト層５１０のそれよりも狭いため、残りのタンタル層５０９の小さい部分５３４が露出している。
図５eを参照すると、センサ構造に対してフッ素RIE５４２が行われ、残りの露出タンタルが除去される。第２フォト・レジスト層５１１で保護されるタンタルの部分５１４は、フッ素RIE５４２の後に残る。
図５fを参照すると、センサ構造に対してアルゴン/水素RIE処理５４４が行われ、残留しているタンタル/フッ素副生成物が除去される。
図５gに図示の如く、自由層５０３の一部に重なってリード５３６が形成してある。図５hは第２のフォト・レジスト５１１除去後におけるセンサ構造を図示している。
図５hに図示のセンサは電気的リード線が自由層５０３の一部分に重なるような構成とされている。こうした構成を備えたCIPセンサはリード・オーバーレイ・センサと称されることもある。
CIP磁気抵抗センサについて本発明の２つの実施態様を上記において詳細に説明した。本発明は、特定のセンサの正確な形式およびその詳細部に依存するものではないので、CPPセンサにも適用可能である。
先に詳細に説明した本発明の特定の両実施態様において、アルゴン/水素RIEを使用する方法は、感度の高いセンサを達成する点で重要である。磁気抵抗センサにおける自由層の磁気モーメントはセンサの感度に関係がある。便宜上、自由層の磁気モーメントはしばしば自由層の同等の厚さで特定される。物理的厚さは通常同等の厚さに緊密に関連性がある。
フッ素RIEからタンタル/フッ素副生成物を除去するために、アルゴン/水素RIE処理が実施されない場合は、自由層の磁気モーメントが小さくなる。図６は残留するフッ素副生成物による損傷を最小にすべくアルゴン/水素RIE処理を実施する有用性を図示している。
自由層は典型的にはニッケル-鉄、コバルト-鉄又はこれら両者のサンドイッチ構造の合金で形成される。アルゴン/水素RIEの有用性を試験する目的で、ニッケル-鉄及び別々のコバルト-鉄試験膜の非アニーリングの複数の組を形成した。タンタル層を試験膜上に形成した。同等厚さとして表現されている両試験膜の元の磁気モーメントは大略１００Åであった。現在のセンサにおける自由層の厚さに対しては、３０Åの厚さが典型的な値である。
次に両試験膜に対してフッ素RIEが行われ、タンタル層を除去した。試験膜の一方のグループはアルゴン/水素RIE処理を受けなかった。試験膜の他のグループは、アルゴン/水素RIE処理を２分間受け、試験膜の第３グループはアルゴン/水素RIE処理に対して５分間曝された。
図６に図示されている如く、後続のアルゴン/水素RIE処理を受けないタンタルキャップ除去後のコバルト-鉄膜に対する磁気モーメントのロスは約２４Åである。２分又は５分のいずれかにおけるアルゴン/水素RIEの場合、コバルト-鉄膜に対する磁気モーメントのロスは約１６Åであった。ニッケル-鉄膜はコバルト-鉄膜と比較した際モーメント・ロスに対して一層堅固性がある。アルゴン/水素RIE処理を受けない場合、ニッケル-鉄膜のモーメントにおけるロスは約１４Åであった。２分又は５分いずれかにおけるアルゴン/水素RIE処理の場合、ニッケル-鉄膜におけるモーメントのロスは約７Åにすぎなかった。全ての場合において、フッ素RIEでのタンタルキャップの除去後におけるアルゴン/水素RIE処理の使用によって、両方の膜における磁気モーメント・ロスの量が著しく低減した。センサの感度を最大にすべく自由層のモーメント・ロスを最小にするためには、ニッケル-鉄がタンタルキャップと直接接触するように自由層を構成し、タンタルキャップの除去後にアルゴン/水素RIE処理を実施することが好ましい。
図７は、フッ素RIEに続いてアルゴン/水素RIE処理を使用しての有用性を図示している。アニーリングを含めて、多数のGMRセンサを作製した。各場合において、タンタル層は強磁性CoFe自由層上に形成した。全ての自由層の磁気モーメントは、等しく３０Åであった。サンプルが受けるフッ素RIEの時間の長さは、過剰な露光によって自由層が相当の損傷を受けたか否かの決定により変更した。図７において、時間量はタンタルキャップ層の除去に要求される同等時間として表現される。例えば、１００％の時間はタンタル・キャップ層を除去するのみに要求された時間であり、２００％の時間はタンタル・キャップ層を除去するのに要求される時間の２倍を表している。
図７におけるデータは、自由層における磁気モーメント・ロスがフッ素RIEに対して膜が曝される時間の量に対してむしろ非感応性であることを示している。これはタンタル除去に対するフッ素RIEの選択性を示している。しかしながら、図７におけるデータは、フッ素RIEの後でアルゴン/水素RIE処理が行なわれない場合、自由層のモーメントの約半分が失われることをも示している。しかしながら、アルゴン/水素RIE処理がフッ素RIEの後で実施されれば、モーメント・ロスは実質的に少なく(約６Å又は約２０％)なる。モーメントにおける２０％のロスは実質的に５０％のロス未満であり、又、フッ素RIEに続くアルゴン/水素RIE処理を使用する諸利点を示している。
以上、本発明の方法を使用する特定の２実施例について詳細に説明した。これらの事例から、本発明によって提供される方法はタンタル・キャップ層に隣接している強磁性層を有する多数の異なる磁気抵抗センサに適用出来る。これらのセンサは磁気記録における再生センサ、又はMRAM記憶装置におけるセンサのような適用例として使用出来る。
100…磁気ディスク・ドライブ、 102…磁気ディスク、 104…スピンドル、 106…スライダ、 108…磁気ヘッド、 110…サスペンション、 112…アクチュエータ、 116…ハウジング、 118…ボイスコイル・モータ、 120…弧状経路、 120…弧状経路、
202…スライダ、 206…スライダの後方面、 208…書き込み要素の上方電極、、 210…巻き線、 212…電気接続パッド、 214…コイル、
300…磁気ヘッド、 302…電極チップ、 304…読み取り要素、 30６…磁気シールド、 308…スライダ本体、
402…強磁性自由層、 404…非磁性導電層、 406…固着層、 408…タンタル層、 409…タンタル層の残りの一部、 410…フォト・レジスト層、 412…ＧＭＲスタック、414…フッ素ＲＩＥ処理、 416…アルゴン／水素ＲＩＥ、 418…強磁性材料、 420…反強磁性層、 422…電気リード線、
502…自由層、 504…非磁性導電層、 506…固着層、 508…タンタル層、 510…第１のフォト・レジスト層、 511…第２のフォト・レジスト層、 512…センサ・スタック、514…第２のフォトレジスト保護されたタンタルの部分、 522…基材、 524…硬質バイアス層、 530…第２のフォト・レジスト層の特徴幅、 532…第１のフォト・レジスト層の特徴幅、 534…残りのタンタル層の小さい部分、 536…リード、 540…イオンミリング、 542…フッ素ＲＩＥ処理、、 544…アルゴン／水素ＲＩＥ処理。
202…スライダ、 206…スライダの後方面、 208…書き込み要素の上方電極、、 210…巻き線、 212…電気接続パッド、 214…コイル、
300…磁気ヘッド、 302…電極チップ、 304…読み取り要素、 30６…磁気シールド、 308…スライダ本体、
402…強磁性自由層、 404…非磁性導電層、 406…固着層、 408…タンタル層、 409…タンタル層の残りの一部、 410…フォト・レジスト層、 412…ＧＭＲスタック、414…フッ素ＲＩＥ処理、 416…アルゴン／水素ＲＩＥ、 418…強磁性材料、 420…反強磁性層、 422…電気リード線、
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Claims (8)
- 磁気抵抗センサのタンタルキャップを除去する方法であって、
磁気抵抗スタックを形成し、
前記磁気抵抗スタックにタンタルキャップを形成し、
フッ素反応性イオンエッチングにより前記タンタルキャップを除去し、
アルゴン/水素反応性イオンエッチングにより前記磁気抵抗センサを処理することを特徴とする方法。 - 前記フッ素反応性イオンエッチングは、１０mTorr未満の圧力にてCHF3及びCF4の混合物を使用して行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記CHF3は、約０ないし５０sccmの範囲内にあり、
前記CF4は、約１０ないし４０sccmの範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の方法。 - 前記アルゴン/水素反応性イオンエッチング処理は、１５０mTorr未満の圧力にて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記アルゴン/水素反応性イオンエッチング処理は、少なくとも水素２％の気体組成物で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記アルゴン/水素反応性イオンエッチング処理は、約２５ないし７５sccmの気体流量により行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- CIP磁気抵抗センサのタンタルキャップを除去する方法であって、
磁気抵抗スタックを形成し、
前記磁気抵抗スタックにタンタルキャップを形成し、
前記タンタルキャップをフッ素反応性イオンエッチングにて除去し、
前記CIP磁気抵抗センサをアルゴン/水素反応性イオンエッチングにて処理することを特徴とする方法。 - CPP磁気抵抗センサ上のタンタルキャップを除去する方法であって、
磁気抵抗スタックを形成し、
前記磁気抵抗スタック上にタンタルキャップを形成し、
前記タンタルキャップをフッ素反応性イオンエッチングで除去し、
アルゴン/水素反応性イオンエッチングにて前記CPP磁気抵抗センサを処理することを特徴とする方法。
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