JP2004501478A - 磁気抵抗センサのためのシールド設計 - Google Patents

Abstract

磁気センサは、磁気抵抗センサ素子（１６０）と、磁気抵抗素子（１６０）に結合され、磁界に対する磁気抵抗素子の応答を検知するように構成された電気接点とを含む。磁気シールド（１５０）は、磁気抵抗素子（１６０）に隣接して位置し、漂遊磁界から磁気抵抗素子（１６０）を遮蔽するように構成されている。シールド（１５０）は、ほぼ安定した磁区パターンを有する。遮蔽用磁束シーフ（１８０）は、シールド（１５０）とほぼ一平面内に位置し、ギャップによってシールド（１５０）から離間している。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般に、磁気抵抗センサに関する。更に特定すれば、本発明は、磁気抵抗センサにおいて用いられる磁気シールドに関する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、磁気抵抗（ＭＲ）センサに関する。更に特定すれば、本発明は、動作中の安定性が改善された磁気抵抗センサに関する。
【０００３】
磁気記憶システムは、後で再生するために磁気形態で情報を格納するために用いられる。格納した情報を読み出すために、様々な技術を利用可能である。１つの新しい技術は、かかる読み出しのために磁気抵抗センサを用いることである。
【０００４】
磁気抵抗センサは、磁界の存在によって生じる抵抗率の変化に応答するものであり、磁気ディスク・ドライブのヘッドにおける読み出し素子としてますます用いられるようになっている。それらが特に有利である理由は、抵抗率の変化がディスク速度とは無関係であり、磁束にのみ依存することである。更に、センサ出力は、センス電流を調節することによって容易に大きさを変えられる。磁気抵抗センサには、ＡＭＲ、ＧＭＲ、およびトンネル接合センサなど様々である。センサは、ディスクの平面およびディスク回転方向に対して平行に、ヘッドに取り付けられる。ディスク表面からの磁束によって、電気抵抗率が変化する。センサのアクティブ層にセンス電流を流し、抵抗率変化の結果としての素子の両端の電圧変化を測定することによって、磁束を検出することができる。
【０００５】
磁気抵抗センサに伴う１つの問題は、バルクハウゼン・ノイズである。これは、印加磁界が存在する状態での磁区の不可逆な動きによって生じる。すなわち、磁化ベクトルのコヒーレントな回転は非均一で抑制されており、磁区壁の挙動にのみ依存する。磁気抵抗素子で発生したバルクハウゼン・ノイズは、磁気抵抗センサのアクティブ領域に単一の磁区を生成することで、除去することができる。
【０００６】
本発明は、これらおよび他の問題に対する解決策を提供し、従来技術に勝る他の利点を提供する。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、上述の問題に対処する磁気シールドを有する磁気抵抗センサに関する。
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、磁気抵抗センサは、磁気シールドおよび遮蔽用「磁束シーフ」を含む。センサは、磁気記憶装置において用いることができ、磁気抵抗センサ素子と、磁気抵抗素子および磁気記憶装置の変換器に結合された電気接点とを含み、変換器は、磁気抵抗センサ素子と、磁気抵抗素子に結合され、磁界に対する磁気抵抗素子の応答を検知するように構成された電気接点とを備えている。磁気抵抗素子に隣接した磁気シールドは、磁気抵抗素子を漂遊磁界から遮蔽するように構成されている。シールドは、ほぼ安定した磁区パターンを有する。遮蔽用磁束シーフは、シールドから離間しており、磁気抵抗素子の製造中のシールドにおける減磁界を低減させる。
【０００９】
（図示実施形態の詳細な説明）
磁気抵抗変換器では、シールドにおける磁区壁を抑えて、シールドとセンサとの間の相互作用を小さくするシールド設計を有することが望ましい。シールドにおいて磁区が不安定な場合、磁区パターンの変化によって、磁気抵抗センサにノイズが生じる恐れがある。しかしながら、シールドが比較的小さい場合、シールドは、磁気抵抗センサ素子の堆積および処理の間に減磁界を発生する。シールドからの減磁は、著しいものであり、センサの製造において用いられる堆積および磁気アニール手順の間に、センサの領域に局所化される。１つの態様において、本発明は、センサ堆積中にシールドからの減磁界を低減させながら、所望のシールドの寸法および構成を維持する技術を提供する。これは、「磁束シーフ」を形成することによって達成される。磁束シーフは、シールドを取り囲み、減磁界を広げるように作用し、これによってシールドの磁区に不安定性を引き起こすことなく、減磁界の局所的な強度を低下させる。磁束シーフは、相互磁極を形成し、これがシールドの磁極に結合し、これによって、シールドの減磁界による磁束の局所的な終点を提供する。
【００１０】
図１は、本発明による磁気抵抗センサを含むディスク・ドライブ１０の上面図である。ディスク・ドライブ１０は、筐体１６内のスピンドル１４によって規定される軸を中心に回転運動するように装着された磁気ディスク１２を含む。また、ディスク・ドライブ１０は、筐体１６のベース・プレート２０に取り付けられ、軸２２を中心としてスピンドル１４に対して枢動可能なアクチュエータ１８も含む。アクチュエータ１８の一部を、カバー２４が覆っている。アクチュエータ１８には、ドライブ・コントローラ２６が結合されている。好適な実施形態では、ドライブ・コントローラ２６は、ディスク・ドライブ１０内に搭載可能であるか、またはアクチュエータ１８に適切に接続してディスク・ドライブ１０の外側に配置する。アクチュエータ１８は、アクチュエータ・アーム・アセンブリ２８と、剛性支持部材３０と、ヘッド・ジンバル・アセンブリ３２とを含む。ヘッド・ジンバル・アセンブリ３２は、剛性支持部材３０に結合されたロード・ビームまたはたわみアーム３４と、ジンバル（図示せず）によってロード・ビーム３４に結合された流体エア・ベアリング（スライダ）３６とを含む。スライダ３６は、ディスク１２から情報を読み取り、ディスク１２上の情報を符号化するための磁気抵抗変換器を支持する。
【００１１】
動作の間、ドライブ・コントローラ２６は、アクセス対象のディスク１２の部分を示す位置情報を受信する。ドライブ・コントローラ２６は、オペレータから、ホスト・コンピュータから、または別の適切なコントローラから、位置情報を受信する。位置情報に基づいて、ドライブ・コントローラ２６は、アクチュエータ１８に位置信号を供給する。位置信号によって、アクチュエータ１８は、軸２２を中心に枢動する。これは、次いで、アクチュエータ１８を、軸２２を中心に枢動させる。次いで、これによって、スライダ３６（および、結果として、スライダ３６上に取り付けられた変換器）が、矢印３８によって示されるほぼ弧状の経路で、ディスク１２の表面上を半径方向に動く。ドライブ・コントローラ２６およびアクチュエータ１８は、既知の閉ループ負帰還で動作し、スライダ３６が支持する変換器をディスク１２の所望の部分上に位置付けるようにする。いったん変換器が適切に位置付けられると、ドライブ・コントローラ２６は、所望の読み取りまたは書き込み動作を実行する。
【００１２】
図２は、磁気読み取り／書き込みヘッド５０および磁気ディスク１２を、読み取り／書き込みヘッド５０のエア・ベアリング面５４に垂直な平面に沿って示した横断面図である。ヘッド５０は、図１に示したスライダ３６上に支持されているか、またはスライダ３６の一部である。図１は、磁気読み取り／書き込みヘッド５０およびその磁気ディスク１２に対する配置を示す。磁気読み取り／書き込みヘッド５０のエア・ベアリング面５４は、磁気ディスク１２のディスク表面５６に対向する。磁気ディスク１２は、矢印Ａに示すように、磁気読み取り／書き込みヘッド１０に対する方向に移動または回転する。エア・ベアリング面５４とディスク面５６との間の間隔は、磁気読み取りヘッド５０と磁気ディスク１２との間の接触を避けながら、最小にすると好ましい。
【００１３】
読み取り／書き込みヘッド５０の読み取り装置の部分は、下部ギャップ層５８と、上部ギャップ層６０と、金属コンタクト層６２と、下部シールド６４と、上部シールド６６と、読み取り素子６８とを含む。下部ギャップ層５８と金属コンタクト層６２との間のエア・ベアリング面５４に、読み取りギャップ７０が規定されている。金属コンタクト層６２は、下部ギャップ層５８と上部ギャップ層６０との間に位置付けられている。読み取り素子６８は、下部ギャップ層５８および金属コンタクト層６２の終端間に位置付けられている。
【００１４】
磁気読み取り／書き込みヘッド５０の書き込み装置の部分は、上部シールド６６と、書き込みギャップ層７２と、上部極７４と、導電コイル７６と、ポリマ層７８とを含む。書き込みギャップ８０は、上部極７４および上部シールド６６の終端間に、書き込みギャップ層７２によってエア・ベアリング面５４に規定されている。シールドとして作用することに加えて、上部シールド６６は、上部極７４と関連して用いる共用の極としても機能する。導電コイル７６は、書き込みギャップ８０を通る磁界を発生させるために設けられており、上部極７４と書き込みギャップ層７２との間のポリマ層７８内に位置付けられている。図２は単一層の導電コイル７６を示すが、当技術分野において、いくつかの層の導電コイルをいくつかのポリマ層によって離隔して用いることも可能であることは理解されよう。読み取り／書き込みヘッドを示すが、本発明は、書き込み素子を含まない磁気抵抗センサにも適用可能である。
【００１５】
図３は、磁気読み取り／書き込みヘッド５０を層状配置を示した図である。図３は、図２に示す磁気読み取り／書き込みヘッド５０のエア・ベアリング面５４に沿って観察できる、磁気読み取り／書き込みヘッド５０の複数の磁気的に重要な素子の位置を示す。図３では、全ての離間および絶縁層を、明確さのために省略している。下部シールド６４および上部シールド６６は、読み取り素子６８の位置を与えるために離間されている。読み取り素子６８は、金属接点６２Ａおよび６２Ｂに隣接して位置付けられた読み取り素子６８の部分として規定される２つのパッシブ領域を有する。読み取り素子６８のアクティブ領域は、読み取り素子６８の２つのパッシブ領域間に配置された読み取り素子６８の部分として規定される。読み取り素子６８のアクティブ領域は、読み取りセンサの幅を規定する。
【００１６】
読み取り素子６８は、磁気抵抗素子または巨大な磁気抵抗スタックであると好ましい。磁気抵抗素子は、一般に、好ましくは磁気媒体またはディスクからの外部の磁界に応答して抵抗が変動する強磁性体から形成される。磁気抵抗素子を介してセンス電流を供給することで、磁気抵抗素子の抵抗の変化を測定し、外部の回路によって用いて、磁気媒体またはディスク上に格納された情報を解読することができる。巨大磁気抵抗スタックは、同様に動作するが、より顕著な磁気抵抗効果を可能とする。巨大磁気抵抗スタックは、一般に３つの層で形成される。すなわち、強磁性自由層、強磁性ピン層、自由層とピン層との間に位置付けられた非磁性スペーサ層である。ピン層のピン磁化は一定に保たれるが、自由層の自由磁化は、外部の磁界すなわち磁気ディスクからの遷移に応答して、自由に回転する。巨大磁気抵抗スタックの抵抗率は、自由磁化およびピン磁化の方向間の角度の関数として変動する。
【００１７】
図４は、外部の磁界が存在しない場合のシールド１５０の平面図である。一実施形態では、シールド１５０は、図２および３に示した下部シールド６４である。シールド１５０は、三角形の閉鎖磁区１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ、１５２Ｄと、磁区１５４Ａ、１５４Ｂ、１５４Ｃと、磁区壁１５６Ａおよび１５６Ｂとを含む。磁化１５８Ａないし１５８Ｇは、各磁区における磁化を表す。シールド１５０は、幅Ｗ−高さＨの比が理想的な磁区構造を与えるように設計されている。幅−高さ比は、異方性、磁気モーメント、および膜厚を含む様々な材料特性に依存する。いずれの材料でも、理想的な高さは、いずれかのフィーチャの幅に対する１つまたは２つの磁区周期の高さに等しくなければならない。これは、様々な幅および高さを有する矩形のフィーチャにおける磁区の計算または経験的な研究によって、求めることができる。この幅−高さ比によって、シールド１５０の各辺上に、正確に２つの三角形の閉鎖磁区を位置付けることが可能となる。従って、三角形の閉鎖磁区１５２Ａないし１５２Ｄは、各々、平衡ドメインに等しい。平衡ドメインは、ゼロに等しい合計磁気モーメントを有する減磁サンプル・シールドにおける磁区の平均幅である。
【００１８】
シールド１５０に磁界は作用していないので、三角形の閉鎖磁区１５２Ａないし１５２Ｄは、各々、シールドの高さＨの２分の１に等しい基本の高さｈを有する。更に、磁区１５２Ａは、磁区１５４Ｃのものに等しい高さを有する。同様に、この特定の設計のため、磁区１５４Ｂの高さは、磁区１５４Ａまたは磁区１５４Ｃのいずれかの高さの２倍に等しい。図４に示すように、シールド１５０は、読み取り素子１６０の幅よりも広い幅を有する大きさである。この設計特徴によって、読み取り素子１６０を通過する磁区壁が無いことが確実となる。本発明は、他のシールド設計および磁区構成にも適用可能であり、ここに具体的に示すものに限定されない。
【００１９】
図４に示すシールド１５０の構成を用いる場合、シールドは、センサ１６０の堆積前にパターニングしなければならない。シールドからの減磁界は著しく、そのサイズが小さいために、センサ１６０を製造する場合に用いられるセンサの堆積および磁気アニール手順の間に、センサの領域内に局所化される。減磁界は、センサ１６０の様々な層を配列するために用いる印加電界とは逆である。
【００２０】
センサ堆積の間に減磁界を低減させながら所望のシールド寸法を維持するために、図５に示す磁束シーフ１８０を形成することができる。磁束シーフ１８０は、シールド１５０を取り囲み、ギャップ１８２によってシールドから隔てられている。ギャップ１８２は、材料、寸法、および磁界強度に基づいて、いずれかの適切な寸法とすることができる。一例では、ギャップ１８２は、約５ないし約４０μｍの間である。別の例では、ギャップ５は、約５μｍ以下である。様々な態様において、ギャップを可変の距離とすることができ、および／または、シールド１５０がシーフ１８０を含む領域を設けることも可能である。シールド１５０の形状は、所望の形状とすることができ、ここに例示した形状に限定されない。同様に、磁束シーフは、いずれかの所望の形状および材料とすることができ、ここに具体的に例示したものに限定されない。
【００２１】
一実施形態では、磁束シーフ１８０はシールド１５０と同じ材料から製造される。かかる実施形態では、シールド１５０およびシーフ１８０は、フォトレジスト・マスクを介して電気めっきするか、または堆積後にパターニングすることができる。しかしながら、いかなる堆積および／または製造技法も使用可能である。センサのアクティブ領域の外側にあるシールドの材料（図５には図示せず）は、合成シールドの飽和を可能とするような寸法にパターニングすることができる。製造の間、ラッピング・プロセスを用いて、エア・ベアリング面（ＡＢＳ）ライン１８４に達するまで物質１８６を除去する。
【００２２】
図６は、ギャップ１８２がシールド１５０の周囲に完全に延在していない磁束シーフ１８０の別の実施形態を示す。図６の実施形態では、エア・ベアリング面ライン１８４を形成するために用いられるラッピング・プロセス中に除去される領域に沿って、磁束シーフ１８０にシールド１５０を取り付ける。この構成は、エア・ベアリング面に垂直な領域に堆積またはアニーリングされる層に対する減磁界を更に低減させる。シールド１５０は、熱膨張接合として有効な材料を用いて、上塗りまたは平坦化することができる。上塗りは、ギャップ１８２を充填し、動作温度においてシールド１５０のあらゆる熱膨張を緩衝することができる。上塗りは、シールドの逆方向である熱膨張係数を有し、これによって、シールドおよび磁束シーフの熱膨張を補償することができる。また、上塗りは、他の実施形態においても用いることができる。
【００２３】
図７は、磁束シーフ１８０をエア・ベアリング面ライン１８４から引っ込ませた別の実施形態を示す。この実施形態では、磁束シーフ１８０は、機械加工プロセスを受けていない。これは、エア・ベアリング面において構成要素が短絡する可能性を低くし、ラッピング・プロセスの間にセンサのストライプ幅をより正確に測定可能とするので、有利となり得る。
【００２４】
図８は、多数の異なる磁束シーフ構成に対する、磁界およびセンサ対印加磁界のグラフである。磁束シーフの有効性は、シールドからの距離および印加磁界の方向の磁束シーフの長さに依存する。図８に示すように、加工パラメータが許す場合、シーフ１８０とシールド１５０との間の距離を５μｍ未満とし、シーフは印加磁界の方向に少なくとも２００μｍを有することが好ましい。
【００２５】
図９は、エルステッド単位で実際の伝達曲線減磁界対モデル化した減磁界を示すグラフである。図９は、本発明の一実施形態のモデル化した減磁界対測定した減磁界を、独立した単一のシールドと比較して示す。図９は、減磁界を変更する際の遮蔽用磁束シーフの影響を示す。一つのテストでは、ハード・アクセス測定は、センサに存在する減磁界の１０％の低下を示す。
【００２６】
本発明は、磁気抵抗センサに隣接してその上に位置する小さいシールドの利点を提供しながら、大きいシールドに伴う減磁界の低減の利点も提供する。小さいシールドは、安定した磁区を提供する構成を有すると好ましい。大きいシールドまたは「シーフ」１８０は、より大きい領域に減磁界を広げ、磁気抵抗センサに作用する減磁界を低減させる。
【００２７】
前述の記載で、本発明の様々な実施形態の構造および機能の詳細と共に、本発明の様々な実施形態の多くの特徴および利点を述べたが、この開示は例示のみであり、詳細事項において、特に本発明の原理内の部分の構造および構成について、添付の特許請求の範囲が表す語の広い一般的な意味によって示される最大限の範囲まで、変更を加えることが可能であることは理解されよう。例えば、具体的な素子は、本発明の範囲および精神から逸脱することなくほぼ同一の機能性を維持しつつ、磁気抵抗センサのための具体的な用途に応じて変更することができる。更に、ここに記載した好適な実施形態は、ディスク・システムのための磁気抵抗センサを対象とするが、本発明の教示は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、磁界を検知する他のシステムにも適用可能であることは当業者には認められよう。磁束シーフは、軟磁性体、例えばパーマロイ等のいずれかの適切な材料とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ディスク記憶システムの簡略化した図である。
【図２】
磁気読み取り／書き込みヘッドおよび磁気ディスクを、読み取り／書き込みヘッドのエア・ベアリング面に垂直な平面に沿って示した横断面図である。
【図３】
エア・ベアリング面から見た磁気読み取り／書き込みヘッドを層にした図である。
【図４】
ほぼ安定した磁区パターンを有する小さい下部シールドの平面図である。
【図５】
本発明の一実施形態による磁気シールドおよび遮蔽用磁束シーフの平面図である。
【図６】
遮蔽用磁束シーフの別の実施形態の平面図である。
【図７】
遮蔽用磁束シーフの別の実施形態の平面図である。
【図８】
多数の異なる磁束シーフ構成についての、センサにおける印加磁界対磁界のグラフである。
【図９】
実際の減磁界対モデル化消磁界のグラフである。

Claims (12)

1. 磁気記憶装置における磁気センサであって、
   磁気抵抗センサ素子と、
   前記磁気抵抗素子に結合され、磁界に対する前記磁気抵抗素子の応答を検知するように構成された電気接点と、
   前記磁気抵抗素子に隣接し、漂遊磁界から前記磁気抵抗素子を遮蔽するように構成された、ほぼ安定した磁区パターンを有する磁気シールドと、
   前記シールドとほぼ一平面内にあり、ギャップによって前記シールドから離間した遮蔽用磁束シーフと、
   を備え、前記磁束シーフおよび前記シールドは前記シールドにおける減磁界を低減させるように構成された、磁気センサ。
2. 前記シールドはほぼ安定した磁区パターンを提供するような形状を有する、請求項１の磁気センサ。
3. エア・ベアリング面を含み、前記遮蔽用磁束シーフは、前記エア・ベアリング面から引っ込んでいる、請求項１の磁気センサ。
4. エア・ベアリング面を含み、前記シールドは、エア・ベアリング面とほぼ同じ高さである少なくとも１つの側面を有する、請求項１の磁気センサ。
5. 前記遮蔽用磁束シーフは、前記シールドの対向側に位置付けられ、ほぼ前記エア・ベアリング面と同じ高さである第１および第２の側面を有する、請求項４の磁気センサ。
6. 請求項１に記載の磁気センサを含むディスク記憶システム。
7. 磁気記憶装置において用いる磁気センサの製造方法であって、
   基板上に磁気材料の層を堆積するステップと、
   前記磁気材料にギャップを形成することによって磁気シールドおよび遮蔽用磁束シーフを形成するステップと、
   前記磁気シールドの近傍に磁気抵抗センサを堆積するステップと、
   を備え、前記磁気抵抗センサの堆積の間、前記磁束シーフは前記磁気抵抗センサにおける減磁界を低減させるように構成されている、方法。
8. 前記シールドは、ほぼ安定した磁区パターンを有するように構成されている、請求項７の方法。
9. 変換器をラッピングしてエア・ベアリング面を形成するステップを含み、前記シールドおよび前記磁束シーフは、前記エア・ベアリング面とほぼ同じ高さである縁部を有する、請求項７の方法。
10. 請求項１または６に記載の磁気センサを含むディスク記憶システム。
11. 磁気記憶システムにおける磁気センサであって、
    磁気的に符号化された情報を検知するための磁気抵抗センサ手段と、
    前記磁気抵抗センサ手段を磁界から遮蔽するための磁気シールド手段と、
    前記磁気抵抗センサ手段において前記磁気シールドからの減磁界を低減させるための遮蔽用磁束シーフと、
    を備える、磁気センサ。
12. 前記遮蔽用磁束シーフ手段は、前記磁気シールド手段からギャップによって離間している磁気材料から成る、請求項１１の磁気センサ。

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