JP2005012215A - 急勾配の端壁を有すバイアス磁石を備えた磁気抵抗センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ積層体との幅が狭く一層効果的な接合部を、ハード・バイアス材が形成する磁気スピン・バルブ・センサが必要である。
【解決手段】磁気抵抗センサ４００は実質的に垂直な端壁４３４，４３６を有するバイアス磁石４１６ａ，４１６ｂを備えている。バイアス磁石４１６ａ，４１６ｂおよび自由層４１０間のオフセット４２４は、スペーサ層４１４ａ，４１４ｂの層厚４１５を調整することにより最適化される。ディスク・ドライブ１００には、実質的に垂直な端壁４３４，４３６を持つ最適化されたバイアス磁石４１６ａ，４１６ｂを有する磁気抵抗センサ４００を備えた読取素子が具備されている。
【選択図】図４ｇ

Description

本発明は、一般的には磁気ディスク・ドライブで使用される磁気抵抗センサに関するものであり、さらに詳しくは、実質的に垂直の端壁を有するバイアス磁石を備えた磁気抵抗センサに関する。

現代のコンピュータ・システムでは、デジタル情報の磁気記録を利用したディスク・ドライブが、データの殆どを記憶する。ディスク・ドライブには、少なくとも一つの個別同軸データ・トラックを有する回転ディスクが備えられている。各ディスク・ドライブは、トラック上でデータの書き込および読み取を行うための、書込素子と読取素子とが別々になっていることが標準的な少なくとも1個のトラック記録ヘッドを備えている。

現代のディスク・ドライブの読取素子には磁気抵抗スピン・バルブ・センサが備えられている。また磁気スピン・バルブ・センサには、強磁性固定層、非磁性導電層、強磁性自由層などを含むセンサ積層体としても知られる層のサンドイッチが含まれる。このセンサ積層体は、２つの磁気シールド間に配置されている。２つの磁気シールドの間隔により、読み取りギャップができる。読み取りギャップの大きさは、センサ高記録密度収容力に影響を強く与える。ディスク上の書込磁気転移からのフィールドのような印加磁界の方向や絶対値とについて、スピン・バルブ・センサの抵抗が変化する。この抵抗変化を検知するため、センス電流が電気的リード線を経てセンサを通過する。この電気的リード線はリード線層、さらに簡潔に表すとリード線としても知られている。一般的には、永久磁石を形成するセンサ積層体の端部近傍の層内にハード・バイアス材が配置されており、この永久磁石によりセンサ積層体上のバイアス安定化磁界が印加される。またこの永久磁石は、ハード・バイアス磁石あるいはバイアス磁石としても知られている。

スピン・バルブ・センサの性能にとり、バイアス磁石の配置や設置は重要である。標準的な先行技術であるスピン・バルブでは、センサ積層体に円形状端部や傾斜状端部を残すフォトレジスト剥離機構を用いてセンサ積層体を形成する。次に隣接接合部を形成するこれら傾斜端部にハード・バイアス材を溶着する。各隣接接合部はかなり幅があるため、その結果各隣接接合部の磁極分布は比較的広くなる。スピン・バルブ・センサの必要トラック幅が狭まるほど、トラック幅全体に占める隣接接合幅は広くなる。また隣接傾斜接合部の効果はやや薄いので、センサを十分に安定させるやや厚層のハード・バイアス材が必要となる。必要トラック幅が狭まるにつれ、隣接接合部に関連するこの有害作用は一層ややこしくなってきている。

したがって、センサ積層体との幅が狭く一層効果的な接合部をハード・バイアス材が形成する磁気スピン・バルブ・センサが必要である。

好ましい実施例では、２個のバイアス磁石で磁気的に安定したセンサ積層体を有する磁気抵抗スピン・バルブ・センサが提供されている。このバイアス磁石は実質的に垂直の端壁を有す。この急勾配の垂直端壁を有すバイアス磁石により、センサ積層体との接合部がごく狭くなる。さらに自由層に対するバイアス磁石の位置を最適化するために、非磁性スペーサ層が用いられる。このような新規の磁気抵抗センサにより空間分解能が改善された。加えて、実質的に垂直の端壁があるため、センサ積層体およびバイアス磁石間の接合部の効率が高い。このような効率によって感度低下の少ない薄型バイアス磁石が使用可能となる。

また別の実施例では、実質的に垂直の端壁を有する２個のバイアス磁石で磁気的に安定させた磁気抵抗スピン・バルブ・センサを読取素子が備えたディスク・ドライブが提供されている。

また図面を用いて本発明の原理例を説明する以下の詳細な記述から、本発明の他の側面と利点が明らかとなろう。

本発明によれば、感度低下の少ない薄型バイアス磁石が使用可能となる磁気抵抗センサを提供することができる。

また、本発明によれば、高い線記録密度を維持することができるディスク・ドライブを提供することが可能となる。

説明のために用いる図や以下のセクションでの詳細な説明のように、本発明は、実質的に垂直な端壁を有するバイアス磁石を備えた新規な磁気抵抗スピン・バルブ・センサで具現化されている。バイアス磁石と自由層との間のオフセットを最適化するために、非磁性スペーサ層を使用する。本発明は、実質的に垂直な端壁のあるバイアス磁石を有する磁気スピン・バルブ・センサを備えた読取素子を具備するディスク・ドライブでも具現化されている。感度を犠牲にすることなく優良なセンサ安定性が得られる。

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に支持されモータ（図示せず）により回転する回転可能な磁気ディスク１０２を少なくとも１個有する。読み取りおよび書き込み中、ディスク１０２の面に配置される取り付け記録ヘッド１０８を備えたスライダ１０６が少なくとも１個ある。この記録ヘッド１０８には、ディスク１０２にデータを書き込む書込素子が含まれる。この記録ヘッドには、ディスクからデータ読み取りする読取素子として用いる本発明にしたがった磁気抵抗スピン・バルブ・センサ（下記に詳細に示した）も含まれる。スライダ１０６にはサスペンション１１０が取り付けられ、サスペンション１１０にはアクチュエータ１１２が取り付けられている。アクチュエータ１１２は回動可能となるようにディスク・ドライブ１００のハウジング１１６に取り付けられ、ボイス・コイル・モータ１１８で回動点１１４の周りを回転する。ディスクの回転中、ディスク１０２面の半径円弧状経路１２０に沿ってアクチュエータ１１２がスライダ１０６とサスペンション１１０とを配置し、関連データ・トラックにアクセスする。

図１を再び参照すると、ディスク・ドライブ１００の動作中、スライダ１０６に関連する回転ディスク１０２の動きにより、スライダ１０６およびディスク１０２面間に、スライダ１０６の上方向への力を生む空気ベアリングが生じる。ディスク１０２面にスライダ１０６を付勢させるサスペンション１１０からのばね力によって、この押し上げ力とのバランスが保たれる。あるいは、動作中にスライダ１０６がディスク１０２面と部分的にあるいは連続して接触してもよい。

図２はスライダ２００のさらに詳細な図である。記録ヘッド２１８は、好ましくはスライダ２００の終端面２０６に構成されている。図２は、記録ヘッド２１８の書込素子を構成する上部磁極２０８およびコイル２１４のターン２１０とを示す。２個の磁気シールド２２０間に配置された読取センサ２０４を含む読取素子が、スライダ体２０２と書込素子の間に形成されている。書込素子および読取素子と接続可能な電気接続パッド２１２が示されている。スライダ２００のディスク対向部２２２は、通常空気ベアリング(図示せず)を有する。記録ヘッド２１８のディスク対向面はスライダ２００のディスク対向部２２２上に示されている。

図３ａ〜３ｆは先行技術に従ったいくつかの製造段階中の磁気抵抗ヘッド３００のディスク対向面から見た図である。図３ａは、アルミナなど適当な基板３０２上に堆積したようなセンサ積層体の層３０４を示す。図３ｂは、センサ積層体の層３０４を覆って形成されたフォトレジスト剥離機構３０６の断面図である。このフォトレジスト剥離機構３０６はオーバーハング特性３０７を有するが、この特性は後続層(図示せず)の形成後にフォトレジスト材の剥離あるいは除去を促進する。図３ｃは、イオン・エッチングを利用してセンサ積層体３０５を形成した後のセンサ３００を示す。図３ｃはまた堆積したハード・バイアス材３０８ａ、３０８ｂ、３０８ｃを示す。センサ積層体３０５の端部３２０、３２２に隣接したハード・バイアス材は、永久バイアス磁石３０８ａ、３０８ｂを形成する。バイアス磁石３０８ａ、３０８ｂからの磁界によりセンサ積層体３０５が安定する。一般的にハード・バイアス材はCoPtCrなどの合金である。また一般的に、バイアス磁石の形成に用いる材料はパーマロイなどのシールド材よりも物理的に硬い。

図３ｄは電気的リード線３１０a、３１０ｂの形成を示す。電気的リード線３１０a、３１０ｂの形成に用いる材料は、フォトレジスト剥離機構３０６を覆う堆積層３１０ｃでもある。図３ｅはフォトレジスト剥離機構３０６の剥離後あるいは除去後のセンサ３００を示す。先行技術の代替実施例では、リード線３１０a、３１０ｂは図３ｆに示したセンサ積層体３０５の一部を覆って形成される。

図４ａ〜４ｇは本発明に従ったいくつかの製造段階中、磁気抵抗センサ４００のディスクが対向する面から見た図を示している。図４ａ〜４ｇは代表図に過ぎず、必ずしも基準となるものではなく、当業者らは別の工程で本発明のセンサができあがることを確認できる。図４ａはアルミナなどの適当な基板４０２上でサンドイッチ層４０４からなるセンサ積層体の図である。サンドイッチ層４０４は、自由層４０８と固定層や表層(図示せず)などの追加の層とからなる。図４ｂは、サンドイッチ層４０４を覆って形成されたフォトレジストからなるパターン層４１２を示す図である。フォトレジストのパターン層４１２は先行技術（図３ｂの３０６）用に以前示された既知の剥離機構を有しておらず、代わりに実質的に垂直の壁を有している。図４ｃはイオン・エッチング処理を行なった結果の図である。センサ積層体４０６と自由層４１０はイオン・エッチング後に残っている層４０４のサンドイッチ部である。イオン・エッチングは基板４０２を支える部分を除去する処理として十分積極的なものである。

図４ｄは堆積した非磁性スペーサ材４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃを示す図である。この非磁性スペーサ材４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃは、クロムなどの適当な材料からうまく形成することができる。この非磁性スペーサ材４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃに用いる材料の中には、バイアス磁石の形成（下記に詳細に述べる）前に、スペーサ材４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃにクロムなど適当な金属からなる薄いシード層(図示せず)の形成を要するものがある。２つの部分４１４ａ、４１４ｂは、センサ積層体４０６の各側上に非磁性スペーサ層を形成する。他方の部分４１４ｃは、パターン形成されたフォトレジスト４１２上に形成され、その後フォトレジスト４１２と共に取り除かれる。

非磁性スペーサ層４１４ａ、４１４ｂの形成中、少量の非磁性スペーサ材がセンサ積層体の端壁上にも形成される。下記に述べる図４ｇの挿入部４２０にこの詳細を示した。堆積した非磁性スペーサ材４３８は、バイアス磁石４１６ｂおよびフリー層４１０間の分離４２２の一因となっている。

図４ｅは、非磁性スペーサ材４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃを覆って形成されたハードバイアス材４１６ａ、４１６ｂ、４１６ｃの図である。センサ積層体４０６の近傍に形成されたこのハード・バイアス材の部分４１６ａ、４１６ｂは、安定化フィールドを提供する永久バイアス磁石を形成する。ハード・バイアス磁石４１６ａ、４１６ｂの端壁４３４、４３６は実質的に垂直である。図４ｆはセンサ４００上に形成されたリード線材４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃを示す図である。

図４ｇは、フォトレジストのパターン層４１２を取り除いた後のセンサ４００の図である。フォトレジストのパターン層４１２を取り除く好ましい方法は当該技術分野で周知の化学機械研磨処理である。この方法では、従来の剥離機構を備えていないパターン・フォトレジスト層を除去するための軽洗浄動作を伴う適切なフォトレジスト溶媒が使用される。

この実施例で提供され、また図４ｇに示されたバイアス磁石は、実質的に垂直な端壁を有している。これらの実質的に垂直な端壁には、先行技術で提供された傾斜の端壁にまさる顕著な利点がある。ハード・バイアス磁石の端壁にある分散型磁極は、傾斜端壁と比べると、垂直端壁に向かってより空間的に集中している。そのため、センサ積層体に安定化フィールドを提供する際には、垂直な端壁を有する永久バイアス磁石の方が効率的である。したがって、ハード・バイアス材の層の厚さを減らすことができ、その結果、記憶情報の高記録密度化に合わせて読み取りギャップが小さくなる。

端壁が実質的に垂直な場合にはハード・バイアス材の効果性が向上する。センサ積層体の自由層に関連してハード・バイアス磁石を最適に配置した場合には、バイアス磁石の効果性も向上する。自由層に関連して永久磁石を最適に配置する、２つの重要な次元を図４ｇの挿入図４２０に示した。第一の次元は、幾何学中心に関連する自由層４１０の中心線４２５による図４ｇで表された幾何学中心間と、バイアス磁石の1個４１６ｂの中心線４２６で表された垂直オフセット４２４である。原則として、自由層４１０に関連するバイアス磁石４１６ａ、４１６ｂ間のオフセット４２４を最適化する必要がある。

簡潔さを目的に、バイアス磁石４１６ｂの１個のみの位置を詳細に下記に述べる。自由層４１０の中心線４２５で表される幾何学中心と、バイアス磁石４１６ｂの１個の中心線４２６で表される幾何学中心の間の垂直オフセット４２４は、非磁性スペーサ層４１４ｂの厚さ４１５を調整することで制御される。

永久磁石の効果性に影響を与える第二の次元は、バイアス磁石４１６ｂと自由層４１０の間の物理的分離４２２である。分離４２２は一般的にやや小さく、通常は約３〜８ナノメータである。分離４２２は、非磁性スペーサ層４１４ｂの厚さ４１５と関連している。非磁性スペーサ層４１４ｂの堆積中、露出したセンサ積層体４０６の端壁４４０に非磁性スペーサ材４３８の一部が生じる。この非磁性スペーサ層材４３８の量は、非磁性スペーサ層４１４ｂの層厚４１５に大きく依存する。完成したセンサ４００では、非磁性スペーサ層材４３８の量により、バイアス磁石４１６ｂと自由層４１０の間の分離４２２がほぼ決定する。非磁性スペーサ層４１４ｂに堆積するどんなシード層(図示せず、また通常非常に薄い)でも、分離の一因となる。

図４ｈは代替実施例であり、リード線４１８ａ、４１８ｂはセンサ積層体４０６を覆って形成される。このリード線オーバーレイ機構でも、実質的に垂直な端壁４３４、４３６を有するバイアス磁石４１６ａ、４１６ｂが最適化された（詳細は下記に述べた）。

図５は永久磁石の１個から自由層にかけて有効となる安定化フィールドを計算した絶対値の図である。図５のデータは、磁気モーメントが自由層よりも４倍大きいバイアス層について計算したものである。図５のデータを基準にすると、磁気モーメントが異なるバイアス磁石から、結果が簡単に得られる。図５の絶対値は、オフセットや分離なしで達成される最大磁場まで正規化されている。一般に、自由層に関連する永久磁石の最適な位置決めの定量的判断基準は、分離とオフセットの絶対値との組み合せが最大可能フィールドと比較した所定値と少なくとも同等の絶対値を有する安定化フィールドにつながるのがいつか、である。

たとえば、フィールドの所定値を最高可能値の少なくとも６０％にした場合、分離は約８ｎｍでオフセットなし、あるいは分離は約２ｎｍでオフセットの絶対値は約８ｎｍとすることなどが、うまい組み合せとなろう。バイアス・フィールドの許容値の一般的な事前選択値は、少なくとも最大値の５０％である。６０％以上という更に高い値が選択されることもある。もっと単純な工程制御価値基準として、オフセットと分離に別々の制限を設けるというものがある。たとえば、安定化フィールドの絶対値の規定値が最高値の少なくとも７０％とした場合、分離は約５ｎｍ未満、オフセットの絶対値は約７ｎｍ未満とすべきである。

本発明の実施例は、実質的に垂直端壁を有するバイアス磁石を備えた磁気抵抗センサを提供する。さらにバイアス磁石がセンサ積層体における自由層に関連して最適に配置されている。先行技術で提供されたセンサと比較して、本発明で提供されたセンサは、自由層向けに安定化フィールドを提供するために用いる非常に効率的なバイアス磁石を有する。効率が高いため、永久磁石の厚みを薄くすることができ、その結果センサは記録トラック方向でより高い線記録密度を維持できるようになる。また、永久磁石の端部で磁極が一層局在化しているので、クロス・トラックの分解能が改善する。

本発明の特定な実施例を記述し図示してきたが、当業者であれば、明確に記述されてはいないが本発明の範囲内にある他の実施例がわかるであろう。

本発明の一実施例による磁気抵抗センサを備えたディスク・ドライブを示す平面図である。 本発明の一実施例による磁気抵抗センサを備えたスライダおよび記録ヘッド（必ずしも基準とする必要がない）を示す図である。 先行技術の製造工程中の基板上に堆積したセンサ積層体の層を示す図である。 センサ積層体の層上フォトレジスト剥離構造の形成を示す図である。 イオン・エッチング後のバイアス磁石の形成を示す図である。 リード線形成後のセンサを示す図である。 フォトレジスト剥離後のセンサを示す図である。 従来のリード線オーバーレイを用いた代替センサを示す図である。 本発明の一実施例による磁気抵抗センサの製造工程中の基板上に堆積したセンサ積層体の層を示す図である。 センサ積層体の層を覆って形成したパターン・フォトレジストの図である。 イオン・エッチングの結果を示す図である。 非磁性スペーサ材形成後のセンサを示す図である。 ハード・バイアス材形成後のセンサを示す図である。 リード線を形成後のセンサを示す図である。 パターン・フォトレジストの剥離後のセンサを示す図である。 実質的に垂直な端壁のあるリード線オーバーレイを有する本発明の代替実施例を示す図である オフセット・分離機能としての入手可能なバイアス・フィールドの絶対値をグラフ化した例を示す図である。

符号の説明

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…取り付け記録ヘッド、
１１０…サスペンション、
１１２…アクチュエータ、
１１４…回動点、
１１６…ハウジング、
１１８…ボイス・コイル・モータ、
１２０…半径円弧状経路、
２００…スライダ、
２０２…スライダ本体、
２０４…読取センサ、
２０６…終端面、
２０８…上部磁極、
２１０…ターン、
２１２…電気接続パッド
２１４…コイル、
２１８…記録ヘッド、
２２０…磁気シールド、
２２２…ディスク対向部
４００…磁気抵抗センサ、
４０２…基板、
４０４…サンドイッチ層、
４０６…センサ積層体、
４１０：自由層
４１２…フォトレジスト・パターン、
４１４ａ、４１４ｂ、４１４ｃ…非磁性スペーサ層、
４１５…層厚、
４１６ａ、４１６ｂ…バイアス磁石、
４１８ａ、４１８ｂ、４１８ｃ…リード線、
４２２…分離、
４２４…垂直オフセット、
４２５…中心線、
４３４、４３６、４４０…端壁、
４３８…非磁性スペーサ材。

Claims (8)

1. 強磁性固定層および強磁性自由フリー層とを含み第一と第二の端部を有するセンサ積層体と、前記センサ積層体の前記第一の端部に配置され実質的に垂直な端壁を有する第一バイアス磁石と、前記センサ積層体の前記第二の端部に配置され実質的に垂直な端壁を有す第二バイアス磁石とを有することを特徴とする磁気抵抗センサ。
2. 第一と第二の端部を有する強磁性自由層を含むセンサ積層体と、前記センサ積層体の前記第一の端部に配置された層厚を有する非磁性スペーサ層と、前記強磁性自由層の前記第一の端部で前記非磁性スペーサ層を覆って配置されたバイアス磁石とを有し、前記バイアス磁石は、実質的に垂直端壁を有しかつ前記自由層に作用する大きさの安定化磁界を提供し、前記安定化磁界の大きさは予め選択された値の範囲内にあるように前記非磁性スペーサの前記層厚を調整することを特徴とする磁気抵抗センサ。
3. 前記非磁性スペーサ層はクロムを含むことを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗センサ。
4. 前記安定化磁界の予め選択された値の範囲は最大可能値の少なくとも５０％であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗センサ。
5. 前記自由層は幾何学中心を含み、前記バイアス磁石は幾何学中心を含み、前記自由層の前記幾何学中心および前記バイアス磁石の前記幾何学中心間のオフセットが約８ナノメータ未満であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗センサ。
6. 前記自由層および前記バイアス磁石間の隔たりが約５ナノメータ未満であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗センサ。
7. 磁気ディスクと、
   前記磁気ディスクに情報を書き込む書込素子と、
   強磁性固定層および強磁性自由層を備え第一および第二の端部を有するセンサ積層体と、前記センサ積層体の前記第一の端部に配置され実質的に垂直の端壁を有す第一バイアス磁石と、前記センサ積層体の前記第二の端部に配置され実質的に垂直の端壁を有す第二バイアス磁石とを備え、前記ディスクから情報を読み取る磁気抵抗センサと、
   を有することを特徴とするディスク・ドライブ。
8. 磁気ディスクと、
   前記ディスクに情報を書き込む書込素子と、
   第一および第二の端部を有する強磁性自由層を含むセンサ積層体と、前記センサ積層体の前記第一の端部に配置された層厚のある非磁性スペーサ層と、実質的に垂直端壁を有し前記自由層に作用する大きさの安定化磁界を提供し前記強磁性自由層の前記第一の端部に前記非磁性スペーサ層を覆って配置されたバイアス磁石とが備えられており、前記非磁性スペーサ層厚は前記安定化磁界の大きさを予め選択された値の範囲内にあるように調整されている前記ディスクから情報を読み取る磁気抵抗センサと、
   を有することを特徴とするディスク・ドライブ。

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