JP2005078750A - 磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを用いた磁気記録再生装置の信頼性を向上する。
【解決手段】膜面に対してほぼ垂直な方向に電流が通電される磁気抵抗効果膜と前記磁気抵抗効果膜を挟む一対の磁気シールドとを有する磁気抵抗効果ヘッドと、前記磁気抵抗効果ヘッドに対して定電流駆動でセンス電流を供給するプリアンプとを具備した磁気記録再生装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを用いた磁気記録再生装置に関する。

磁気記録再生装置においては常に記録密度の向上が要求されており、それに伴って高感度な再生ヘッドが要求されている。こうした要求に応える再生ヘッド用素子として、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）や垂直通電型巨大磁気抵抗効果素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）がある。

これらの素子を用いた再生ヘッドは、磁化固着層、中間層および磁化自由層の薄膜積層構造を有するＴＭＲ膜またはＧＭＲ膜に対して、磁界検出のためのセンス電流を膜面に対してほぼ垂直方向に通電するタイプであるので、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドということができる。ＴＭＲ素子を用いた磁気ヘッドを開示した刊行物としては、例えば特許文献１を挙げることができる。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた磁気ヘッドを開示した刊行物としては、例えば特許文献２や特許文献３を挙げることができる。

一般に再生ヘッド用素子にセンス電流を通電する際に、定電流駆動にするか定電圧駆動にするかを決定する条件は様々である。例えば、ＴＭＲ素子を用いた再生ヘッドについては、素子抵抗のばらつきを吸収するため定電圧駆動が望ましいといわれている。

上述した磁化固着層、中間層および磁化自由層の薄膜積層構造を有するＴＭＲ膜またはＧＭＲ膜における中間層としては、高抵抗母材中に微細な導電領域（ピンホールまたはメタルホールと呼ばれることがある）が散在した構造を有するものが採用されている。これは中間層の抵抗値を調整するである。ＴＭＲ素子における中間層である高抵抗のトンネルバリア層については再生ヘッドとしての実用性を考慮するとトンネルバリア層の抵抗を抑える必要があるが、微細な導電領域は抵抗の低減に寄与する（例えば非特許文献１）。また、またＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、中間層として微細なメタルホールを含む高抵抗の薄い酸化膜を用いることによってＭＲ比を上げている。

しかし、これらの垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドでは、中間膜中に散在する微細な導電領域にセンス電流が集中することによる発熱が主因となって劣化が起こる結果、ヘッドの寿命が短くなり、これを使用した磁気記録再生装置の信頼性が低下するという問題が生じることがわかってきた。
米国特許第５，８９８，５４８号明細書 特開平１０−５５５１２号公報 米国特許第５，６６８，６８８号明細書 IEEE Trans. Magn., Vol.38, 2002, p.73

本発明の目的は、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを用いた磁気記録再生装置の信頼性を向上することにある。

本発明の一態様に係る磁気記録再生装置は、膜面に対してほぼ垂直な方向に電流が通電される磁気抵抗効果膜と前記磁気抵抗効果膜を挟む一対の磁気シールドとを有する磁気抵抗効果ヘッドと、前記磁気抵抗効果ヘッドに対して定電流駆動でセンス電流を供給するプリアンプとを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、垂直通電型の磁気抵抗効果ヘッドを定電流駆動で使用することにより、磁気抵抗効果膜の温度上昇による劣化を防止して、寿命が大幅に向上した磁気記録再生装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に用いられる垂直通電型磁気抵抗効果素子の一例を示す断面図である。この図においては、手前側が磁気記録媒体（図示せず）に対向する媒体対向面である。図１に示されるように、下部シールド１、下地層２、反強磁性層３、磁化固着層（ピンド層）４、高抵抗中間層５、磁化自由層（フリー層）６、保護層７、上部シールド８が積層されている。反強磁性層３、磁化固着層（ピンド層）４、高抵抗中間層５および磁化自由層（フリー層）が磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜またはＣＰＰ−ＧＭＲ膜）である。磁気抵抗効果膜の側部には、絶縁層９を介して、フリー層６の磁区を安定化させるためのバイアス強磁性層１０が形成されている。

下部シールド１および上部シールド８は、磁気抵抗効果膜の膜面に対してほぼ垂直方向にセンス電流を通電するための電極を兼ねており、ＮｉＦｅなどの良導体の強磁性体が用いられる。反強磁性層３はピンド層４の磁化を固着する機能を有し、ＰｔＭｎなどの材料が用いられる。フリー層６は感磁部であり、磁気抵抗効果素子の膜面にほぼ垂直にセンス電流を流すことにより、フリー層６で感磁された磁気信号を電気信号として取り出すことができる。

本発明においては、下部シールド１および上部シールド８に定電流駆動でセンス電流を供給するプリアンプ３０が接続されている。以下、定電流駆動することによる効果を説明するが、定電流駆動による効果は磁気抵抗効果膜に含まれる高抵抗中間層５において顕著に現れるので、最初に高抵抗中間層５について説明する。

図２または図３に示すように、高抵抗中間層５は、高抵抗母材１１中に微細な導電領域１２が形成された構造を有する。導電領域１２の形態は、図２では一次元的な穴（導電ホールと呼ばれる）、図３では二次元的な溝である。いずれの場合も、ピンド層４、高抵抗中間層５およびフリー層６の断面は、図４に示したような構造となる。

ＴＭＲ膜では製造方法に依存してこのような構造を有する高抵抗中間層（トンネルバリア層）５が形成される。ＣＰＰ−ＧＭＲ膜では、出力を増大させるため意図的にこのような構造を有する高抵抗中間層５が形成される。ＣＰＰ−ＧＭＲ膜では導電領域１２は電流狭窄の効果を得るために形成される。この場合、導電領域１２の面積が膜面積（素子面積）に対して概ね１０％以下であれば電流狭窄効果が大きく現れる。

高抵抗母材１１はボロン（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、りん（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、トリウム（Ｔｈ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カドミウム（Ｃｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）、プラセオジム（Ｐｒ）、クロム（Ｃｒ）、すず（Ｓｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、マグネシウム（Ｍｇ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルビジウム（Ｒｂ）及び希土類金属よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素の酸化物、窒化物または炭化物を主成分として形成され、概ね１×１０Ｅ^-3Ωｃｍ以上の抵抗率を有する。導電領域１２の材質としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属が用いられる。

図２に示した１次元的な穴（導電ホール）の形態をなす導電領域１２の大きさは、概ね０．１〜１０ｎｍ程度であれば、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜やＴＭＲ膜の機能を果たすことができ、さらに素子機能を向上することもできる。図３に示した２次元的な溝の形態をなす導電領域１２の場合も、溝の幅は０．１〜５ｎｍであればよい。

なお、高抵抗層５は必ずしもピンド層４からフリー層６にまで達する導電領域１２を含んでいなくてもよい。たとえば図５に示したように、高抵抗中間層５に凹凸があり、凸部の厚みが０．２〜４ｎｍ、凹部の厚みがその半分以下であれば、凹部にトンネル電流が流れるかまたは抵抗差によって凹部に電流が集まって電流狭窄がなされる。つまり、図５に示した凹部は、図４に示した穴（導電ホール）の形態の導電領域１２と同等の役割を果たす。

次に、図６（Ａ）および（Ｂ）を参照して、上記のような垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドにセンス電流を通電した場合に生じる問題点について説明する。図６（Ａ）および（Ｂ）は、ピンド層４、高抵抗中間層５およびフリー層６の積層構造において、高抵抗中間層５中に散在する微細な導電領域１２にセンス電流が集中して通電されている状態を示している。このように導電領域１２にセンス電流が集中すると、発熱（ジュール熱）により導電領域１２の周囲の高抵抗部が変化し、結果的に図６（Ｂ）に示したように図６（Ａ）と比較して導電領域１２の面積が広くなる。こうなると、ＴＭＲ素子では分流部が増え、またＣＰＰ−ＧＭＲ素子では電流狭窄が弱まり、出力低下がおこる。このようにして出力低下が起こると、当該ヘッドを搭載した磁気記録再生装置のエラーレートを劣化させ、その寿命を短くする。

本発明においては、定電流駆動を採用することにより、上述した出力低下に起因する磁気記録再生装置の寿命の短縮を大幅に改善する。

図７は垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを、定電流駆動したときと定電圧駆動したときの時間に対する出力変化を示したものである。実験に用いたヘッドの抵抗は５０Ωである。時間０での出力の値は、定電流駆動でも定電圧駆動でもほぼ同じである。ここでは、このヘッドを用いた磁気記録再生装置のエラーレートの限界にあたる出力低下を１０％と想定している。図７に示されるように、定電流駆動で使用した場合のヘッド寿命は、定電圧駆動で使用した場合のヘッド寿命の概ね倍になっている。

これは抵抗が低下しても全体電圧が低下しない定電圧駆動の概念に一見矛盾するように思えるが、次のような機構による。すなわち、定電圧駆動で使用する場合、導電領域１２で発生するジュール熱は次式のように導電領域の抵抗Ｒ（導電領域）に反比例する。
Ｗ（定電圧）∝Ｖ²／Ｒ（導電領域）。

この場合、長時間の使用により導電領域１２の面積が広がると、Ｒ（導電領域）は小さくなり、ジュール熱は大きくなる。したがって、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを定電圧駆動で使用すると、導電領域１２の広がりが加速され、磁気記録再生装置の寿命が短くなる。

一方、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを定電流駆動で使用した場合のジュール熱は次式のようにＲ（導電領域）に比例する。したがって、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを定電圧駆動で使用した場合には、導電領域１２の広がりが加速されることはないので、磁気記録再生装置の寿命の短縮を防止できる。

Ｗ（定電流）∝Ｉ²＊Ｒ（導電領域）。

次に、図８に定電流駆動で駆動電流を２０％程度増やした場合の時間に対する出力変化曲線を示す。定電流駆動での電流を２０％程度増加させると、磁気記録再生装置の寿命は、図７に示した定電圧駆動した場合の寿命とほぼ一致する。このことから、この条件で定電流駆動を使用することによる出力利得は約２０％程度であると見積もることができる。

以上のように、本発明においては、垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを定電流駆動で使用することにより、大幅に寿命を伸ばすか、または大幅に出力を増大させることができる。

本発明においては、積極的に電流狭窄部（高抵抗中間層）の温度を測定するようにし、劣化が生じる程度に温度が上昇した場合に、プリアンプにフィードバックして電流値を低下させるようにしてもよい。このような機構を設けることにより、上述した単純な定電流駆動の場合より優れた効果を得ることができる。

図９を参照して、このような機構を有する磁気記録再生装置の構成を説明する。垂直通電型磁気抵抗効果素子については、図１に示した積層構造に加えて高抵抗中間層５とフリー層６との間にＣｕ層２１を挿入する。このようにＣｕ層２１を挿入しても、ＴＭＲ効果やＧＭＲ効果が乱されることはない。このＣｕ層２１の一端にＣｕリード２２を接続し、他端にＣｕＮｉ（コンスタンタン）リード２３を接続する。さらに、Ｃｕリード２２およびＣｕＮｉ（コンスタンタン）リード２３は室温下の基準接点２４に接続される。このような構成により、Ｃｕ−ＣｕＮｉ間に熱起電力を発生させることができるので、Ｃｕリード２２の途中に接続した熱起電力測定器２５によって、高抵抗中間層５の温度を測定することができるようになる。したがって、熱起電力測定器（制御器）２５で測定される高抵抗中間層５の温度によって、定電流駆動のプリアンプ３０から供給されるセンス電流値を低下させるようにフィードバック制御することができる。

たとえば、図１０に示す例では、熱起電力測定器２５で測定される高抵抗中間層５の温度が１５０℃を超えた場合に、定電流駆動のプリアンプ３０から供給されるセンス電流値を徐々に低下させるように制御している。

なお、感温部であるＣｕとＣｕＮｉ（コンスタンタン）との接合部を素子から切り離し、素子近傍の外部温度によって定電流駆動のプリアンプ３０から供給されるセンス電流値を制御するようにしてもよい。

次に、本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果ヘッドを使用した磁気ヘッドアセンブリおよび磁気記録再生装置について説明する。

図１１は本発明の実施形態に係る垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを使用した磁気ヘッドアセンブリ５０をディスク側から見た斜視図である。アクチュエータアーム５１には磁気ディスク装置内のピボットに装着するための穴が設けられ、図示しない駆動コイルを保持するボビン部を有する。アクチュエータアーム５１の一端にはサスペンション５２が固定されている。サスペンション５２の先端には垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを搭載した磁気ヘッドスライダ５３が取り付けられている。また、サスペンション５２には信号の書き込みおよび読み取り用のリード線５４が配線され、このリード線５４の一端は磁気ヘッドの各電極に接続され、リード線５４の他端は電極パッド５５に接続されている。

図１２は図１１に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気記録装置（ハードディスクドライブ）１００の内部構造を示す斜視図である。磁気ディスク１０１はスピンドル１０２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答して回転する。図１１のアクチュエータアーム５１はピボット１０３に装着され、ピボット１０３の上下２個所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、サスペンション５２およびその先端のヘッドスライダ５３を支持している。アクチュエータアーム５１の基端にはリニアモータの１種であるボイスコイルモータ１０４が設けられている。ボイスコイルモータ１０４はアクチュエータアーム５１のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルとこのコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。アクチュエータアーム５１はボイスコイルモータ１０４により回転摺動が自在にできるようになっている。磁気ディスク１０１が回転すると、ヘッドスライダ５３が磁気ディスク１０１上に浮上またはその表面と接触した状態で保持され、磁気ヘッドによって情報を記録再生できるようになっている。これらの各部材を収容した筐体上にカバー１０５が取り付けられる。

本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果膜とこれに接続される定電流駆動のプリアンプとを示す図。 磁気抵抗効果膜に含まれる高抵抗中間層の一例を概略的に示す斜視図。 磁気抵抗効果膜に含まれる高抵抗中間層の他の例を概略的に示す斜視図。 ピンド層、高抵抗中間層およびフリー層の一例を示す断面図。 ピンド層、高抵抗中間層およびフリー層の他の例を示す断面図。 垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドにセンス電流を通電した場合に生じる問題点を説明する図。 垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを、定電流駆動したときと定電圧駆動したときの時間に対する出力変化を示す図。 垂直通電型磁気抵抗効果ヘッドを、電流値を変えて定電流駆動したときの時間に対する出力変化を示す図。 本発明の他の実施形態に係る温度測定素子を組み込んだ磁気抵抗効果膜とこれに接続される熱起電力測定器および定電流駆動のプリアンプとを示す図。 図９において制御される温度と電流との関係を示す図。 本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリをディスク側から見た斜視図。 図１１に示す磁気ヘッドアセンブリを搭載した磁気記録装置の内部構造を示す斜視図。

符号の説明

１…下部シールド、２…下地層、３…反強磁性層、４…磁化固着層（ピンド層）、５…高抵抗中間層、６…磁化自由層（フリー層）、７…保護層、８…上部シールド、９…絶縁層、１０…バイアス強磁性層、１１…高抵抗母材、１２…導電領域、２１…Ｃｕ層、２２…Ｃｕリード、２３…ＣｕＮｉ（コンスタンタン）リード、２４…基準接点、２５…熱起電力測定器、３０…定電流駆動のプリアンプ、５０…磁気ヘッドアセンブリ、５１…アクチュエータアーム、５２…サスペンション、５３…ヘッドスライダ、５４…リード線、５５…電極パッド、１００…磁気記録装置、１０１…磁気ディスク、１０２…スピンドル、１０３…ピボット、１０４…ボイスコイルモータ、１０５…カバー。

Claims (7)

1. 膜面に対してほぼ垂直な方向に電流が通電される磁気抵抗効果膜と前記磁気抵抗効果膜を挟む一対の磁気シールドとを有する磁気抵抗効果ヘッドと、
   前記磁気抵抗効果ヘッドに対して定電流駆動でセンス電流を供給するプリアンプと
   を具備したことを特徴とする磁気記録再生装置。
2. 前記磁気抵抗効果膜は、磁化固着層と、高抵抗母材中に導電領域が形成された高抵抗中間層と、磁化自由層とを積層した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気記録再生装置。
3. 前記高抵抗母材は金属の酸化物、窒化物または炭化物を含み、前記導電領域は銅、金および銀からなる群より選択される金属を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気記録再生装置。
4. 前記導電領域の面積は、膜面積に対して１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の磁気記録再生装置。
5. 前記高抵抗中間層は、トンネルバリア層であることを特徴とする請求項２に記載の磁気記録再生装置。
6. 前記磁気抵抗効果膜に含まれる高抵抗中間層の温度を測定できる温度測定素子と、
   前記温度測定素子のデータに基づいて、前記プリアンプから供給されるセンス電流値を制御する制御器と
   を有することを特徴とする請求項２に記載の磁気記録再生装置。
7. 前記温度測定素子は、前記磁気抵抗効果膜の高抵抗中間層に対して積層された第１の金属からなる導電層と、第１の金属との接合により熱起電力を発生することができる第２の金属からなるリードとを含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気記録再生装置。

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