JP2008192270A - トンネル磁気抵抗効果素子の試験方法及び装置 - Google Patents

トンネル磁気抵抗効果素子の試験方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】トンネル磁気抵抗効果素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置を提供する。
【解決手段】トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法において、異なる電流に対する第１及び第２の抵抗値を測定する測定ステップと、同一の設計が施された前記再生素子の良品から求めた前記第１の抵抗値と前記第１と第２の抵抗値の差分と、トンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第１および第２の抵抗値を比較する比較ステップと、前記再生素子の抵抗変化率の絶対値が前記抵抗値差分曲線よりも低い場合には、前記再生素子を不良品として判定する判定ステップとを備えることを特徴とする再生素子試験方法を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般には、再生素子又は読み取り素子の試験方法に係り、特に、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＴＭＲ）素子の試験方法に関する。本発明は、例えば、ハードディスク装置（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）に使用されるＴＭＲ（ヘッド）素子の試験方法に好適である。
近年のインターネット等の普及に伴って大量の情報を安定して再生するＨＤＤの需要が増大してきた。大容量化の需要に応えるためにディスクの面記録密度を増加すると信号磁界が弱くなる。この微弱な信号磁界を読み取るためには小型で高感度な再生素子が必要である。
かかる再生素子としてＴＭＲ膜を有するＴＭＲ素子が知られている。ＴＭＲ膜は絶縁膜を２枚の磁性膜で挟んだ構造を有し、積層面に垂直にトンネル電流が流れる。しかし、絶縁膜にピンホールがあったり、絶縁膜の周辺にショートがあったりすると、ＴＭＲヘッドの抵抗が低下し、再生出力、即ち、感度が低下する。このため、従来はＴＭＲ膜の抵抗値を測定することによってＴＭＲヘッドの性能試験を行っている。また、ＴＭＲヘッドの抵抗変化率ΔＲ／Ｒを求め、ピンホールの有無を判定する方法も知られている（例えば、特許文献１を参照のこと）。なお、ショートがあっても抵抗は完全に０ではなく、本出願はショートがある部分の抵抗を「ショート抵抗」と呼ぶ場合がある。ショート抵抗が高ければ絶縁膜はある程度機能を発揮しているが、ショート抵抗が低いとＴＭＲ膜は感度が低下する
ＴＭＲ膜の電圧とトンネル磁気抵抗との関係を図１に示すようになる（非特許文献１）。通常の抵抗はオームの法則に従い電流に対して線形であるが、ＴＭＲ膜では、図１に示すように、抵抗と電圧の関係（Ｒ−Ｖ曲線）は非線形になる。
特開２００６−６６８７３号公報 Ｗ．Ｆ．Ｂｒｉｎｋｍａｎ， Ｒ．Ｃ．Ｄｙｎｅｓ， Ｊ．Ｍ．Ｒｏｗｅｌｌ，Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ４１ １９５１（１９７０）
しかし、従来の方法ではショートを有するＴＭＲ素子の良品判定を効果的に行うことができなかった。まず、ＴＭＲ膜の抵抗値はプロセスによりバラツキくため抵抗値を利用した方法はショートによるヘッドの良否を精度良く判定できない。また、抵抗変化率を利用した方法はＴＭＲ膜のピンホールの有無による膜品質を判定することはできるが、ショートによるヘッドの良否を判別することができない。
本発明は、ＴＲＭ素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置に関する。
本発明の一側面としての試験方法は、トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法であって、異なる電流に対する第１及び第２の抵抗値を測定する測定ステップと、同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第１および第２の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較ステップと、前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定ステップとを備えることを特徴とする。かかる試験方法は、ショート抵抗に基づいて再生素子の良品判定を行うことができる。上記再生素子試験方法は、良品の前記再生素子のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式を基に、良品に特定の抵抗値を有する抵抗を並列に繋いだ場合から前記抵抗値差分曲線を取得し、前記判定ステップは、前記抵抗値差分曲線と比較して前記抵抗変化率の絶対値が高い場合には前記再生素子を良品として判定してもよい。好ましくは前記良品の前記再生素子の前記特定の抵抗値は１０００Ωである。前記トンネル磁気抵抗と電圧の理論式は、例えば、Ｂｒｉｎｋｍａｎの理論式である。前記判定ステップにおいて前記抵抗変化率が前記抵抗値差分曲線に近接しているならば前記再生素子を良品として判定してもよい。前記第１及び第２の関係における抵抗は、０．１ｍＡを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第１の抵抗値であり、前記第１及び第２の関係における抵抗変化率は、０．４ｍＡを前記トンネル磁気効果膜に流した時の第２の抵抗値から前記第１の抵抗値を引いた値を第１の抵抗値で割って１００をかけた値であってもよい。好ましくは前記再生素子に許容される抵抗の範囲は３００Ω乃至４００Ωである。
本発明の一側面としての試験装置は、トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験装置において、異なる電流に対する第１及び第２の抵抗値を測定する測定部と、同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第１及び第２の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較部と、前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定部とを備えることを特徴とする。かかる試験装置は、ショートを有する再生素子の良品判定を行うことができる。
上述の試験方法をコンピュータにより実行させるためのプログラムも本発明の別の側面を構成する。
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、ＴＭＲ素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置を提供することができる。
以下、図２を参照して、後述するＨＤＤ（記憶装置）１００に使用される磁気ヘッド素子の試験装置１について説明する。試験装置１は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０と、被検物であるヘッドジンバルアッセンブリ（Ｈｅａｄ Ｇｉｍｂａｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＨＧＡ）１１１を搭載する搭載部２０と、検出部４０と、電流供給部５０とを有する。ＨＧＡ１１１は、スライダが搭載されたサスペンションアッセンブリであり、ヘッドサスペンションアッセンブリと呼ばれる場合もある。
試験装置１は、ＨＧＡ１１１がＨＤＤ１００に搭載される前に、ＨＧＡ１１１の良品及び不良品の検査を行う試験装置である。ＨＧＡ１１１は、後述するように、磁気ヘッド部１２０を搭載しており、磁気ヘッド部１２０は後述するディスク１０４に情報を書き込むための記録素子（インダクティブヘッド素子１３０）とディスク１０４から情報を読み取るための再生素子（ＴＭＲヘッド素子１４０）とを有する。そして、試験装置１は、記録素子と再生素子を試験してそれぞれか良品であるか不良品であるかをそれらと関連付けながら出力するが、本実施例では、再生素子の試験方法についてのみ説明する。
ＰＣ１０は、試験装置１の動作モードを制御すると共に試験結果を出力及び格納する。本実施例ではＰＣ１０は試験装置１の一部であるが、別の実施例では、ＰＣ１０はネットワークを介して試験装置１に接続される。ＰＣ１０は、ＰＣ本体１２と、キーボードやマウスなどの入力部１４と、ディスプレイなどの出力部１６とを有する。ＰＣ本体１２は、ＣＰＵなどの制御部１２ａと、メモリ１２ｂとを有する。制御部１２ａは、試験方法に必要な様々な演算や判断を行う。メモリ１２ｂは、試験方法を格納すると共にそれに必要な様々なデータを格納している。試験装置１の動作モードはソフトウェアプログラムとして具体化されてメモリ１２ｂに格納されており、ユーザは出力部１６を参照しながら入力部１４と制御部１２ａを通じて動作モードを選択することができる。
搭載部２０はＨＧＡ１１１を搭載する。ＨＧＡ１１１が搭載部２０に搭載されている状態で、電流供給部５０からＨＧＡ１１１の再生素子に電流を供給する。検出部４０は、電流供給部５０がＨＧＡ１１１を通電している間のＴＭＲ素子の抵抗を検出する。検出部４０が検出した情報はＰＣ１０の制御部１２ａに伝達される。
以下、図３を参照して、試験装置１の動作について説明する。ここで、図３は、本実施例の試験方法を説明するためのフローチャートである。図３に示す試験方法は、ＰＣ１０において実行可能なプログラムとして具体化される。まず、制御部１２ａは、１０００Ωの抵抗値を有する抵抗がＴＭＲ膜に並列に接続されたと仮定してＴＭＲ膜に関する抵抗と抵抗変化率との関係をＢｒｉｎｋｍａｎの理論式から取得する（ステップ１００２）。これは、後述する理論曲線（ｂ）を取得するステップである。
前提として、メモリ１２ｂは、次式で示すＢｒｉｎｋｍａｎの理論式と図１に示すＴＭＲ膜の電圧と抵抗との関係を予め格納している。
、
である。
はそれぞれの界面でのバリアハイト、ｄは絶縁膜厚を示す。また、メモリ１２ｂは次式で規定される抵抗変化率ΔＲ／Ｒも格納している。
図１に示すＢｒｉｎｋｍａｎの理論曲線は縦軸の抵抗値が電圧が０のときに１になるように規格化されている。一方、実際のＴＭＲ素子の抵抗値は３００Ω乃至４００Ωである。このため、ユーザは、入力部１４から数式１に実際のＴＭＲ素子に必要なパラメータ値を入力する。この入力値と数式２を利用して、制御部１２ａは図４に示す理論曲線（ａ）を取得する。
０．１ｍＡと０．４ｍＡは、抵抗変化率を求めるのに使用されるがこれに限定されるものではない。しかし、これらの電流値は、抵抗変化率の変化が大きく、トンネル磁気抵抗効果膜を破壊しない安全な範囲の電流値であり、本発明者が経験上得た値である。理想曲線（ａ）は抵抗４００Ω、抵抗変化率−３％のものを基準としており、ＴＭＲ膜の抵抗に並列に接続される（ショート）抵抗が無限大である場合の理想曲線である。
次に、入力部１４を通じて、ユーザは、ＴＭＲ膜がショートした場合にショートした部分に許容される最小のショート抵抗値を入力し、制御部１２ａは入力されたショート抵抗値を設定する。本発明者は、それが経験的に１０００Ω付近であることを発見した。そして、制御部１２ａは、理想曲線（ａ）に示すＴＭＲ膜に１０００Ωの抵抗が並列に接続されていると仮定したモデルの理想曲線を理想曲線（ｂ）として求める。図４は、参考のために、理想曲線（ａ）に示すＴＭＲ膜に５００Ωの抵抗が並列に接続されていると仮定したモデルの理想曲線を理想曲線（ｃ）として示している。理想曲線（ｃ）が理想曲線（ｂ）の上側にあるので、理想曲線（ｂ）の上側が１０００Ωの抵抗値よりもショート抵抗値が小さくなる側であることが理解される。メモリ１２ｂは、少なくとも理想曲線（ｂ）が描かれた図３のグラフを格納しておく。
次に、制御部１２ａは、電流供給部５０に対して磁気ヘッド構造体１１１のＴＭＲ素子に０．１ｍＡと０．４ｍＡの電流を流すように命令し、検出部４０に各電流値に対して検出した、ＴＭＲ素子の抵抗値を検出させる（ステップ１００４）。
次に、制御部１２ａは、検出部４０から検出結果を取得し、これにより、試験対象としてのＴＭＲ素子の抵抗と抵抗変化率との関係を取得する（ステップ１００６）。ステップ１００６は検出部４０の検出結果を図３にプロットすることである。横軸には、ＴＭＲ素子に０．１ｍＡの電流を流したときの抵抗値が設定される。縦軸には、ＴＭＲ素子に０．４ｍＡの電流を流したときの抵抗値から０．１ｍＡの電流を流したときの抵抗値を引いた値を０．１ｍＡの電流を流したときの抵抗値で割って１００をかけた値が設定される。図３には菱形で検出部４０の検出結果がプロットされている。
次に、制御部１２ａは、ステップ１００６の関係が、ＴＭＲ素子に許容される抵抗の範囲内であるかどうかを判断する（ステップ１００８）。同一の設計が施された良品のＴＭＲ素子に許容される抵抗の範囲は、本発明者の経験上、３００Ω乃至４００Ωである。
制御部１２ａは、ステップ１００６の関係がＴＭＲ素子に許容される抵抗の範囲内であると判断すると（ステップ１００８）、ステップ１００６の関係が理想曲線（ｂ）に関し、検出された抵抗値はショート抵抗が大きい側にあるかどうかを判断する（ステップ１０１０）。理想曲線（ｂ）に関し、検出された抵抗値はショート抵抗が大きい側とは、図３においては理想曲線（ｂ）の下側である。結局、ステップ１００８及び１０１０における２つの条件を満足する範囲、即ち、試験に合格する範囲は図５に示す斜線部分である。
本実施例では、許容される最小のショート抵抗値を入力した理想曲線（ｂ）を基に試験を行ったが、理想曲線（ａ）の上下に近接する抵抗変化率を有するＴＭＲ膜を良品として判定する試験であってもよい。
ステップ１００８又は１０１０でＮＯと判断されたＴＭＲ素子は不良品とみなされる（ステップ１０１２）。良品は、その後に読み取り性能試験を行い、更に合格したものをＨＤＤ１００に搭載する（ステップ１０１４）。従来は本実施例の試験を実施しておらず、全製品に対して読み取り性能試験を行っていた。これに対して、本実施例の試験に合格したもののみに対して読み取り性能試験を行ったところ読み取り試験に合格する製品の割合、即ち、歩留まりが約１０%向上した。
以下、図６及び図７を参照して、ＨＧＡ１１１が搭載された後のＨＤＤ１００について説明する。ＨＤＤ１００は、図６に示すように、筐体１０２内に、記録媒体（又は記憶媒体）としての一又は複数の磁気ディスク１０４と、スピンドルモータ１０６と、ヘッドスタックアッセンブリ（Ｈｅａｄ Ｓｔａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＨＳＡ）１１０とを収納する。ＨＧＡ１１１はヘッドスタックアッセンブリ１１０の一部を構成する。ここで、図６は、ＨＤＤ１００の内部構造の概略平面図である。
筐体１０２は、直方体形状を有し、内部空間を密閉する図示しないカバーが結合される。磁気ディスク１０４は高い面記録密度、例えば、１００Ｇｂ／ｉｎ２以上を有する。磁気ディスク１０４は、その中央に設けられた孔を介してスピンドルモータ１０６のスピンドル（ハブ）に装着される。
ＨＳＡ１１０は、磁気ヘッド部１２０と、キャリッジ１７０と、ベースプレート１７８と、サスペンション１７９とを有する。
磁気ヘッド部１２０は、スライダと、スライダの空気流出端に接合されて、磁気記録再生ヘッドとを有する。スライダは、ヘッドを支持して回転するディスク面から浮上する。ヘッドは、ディスク１０４に記録再生を施す。
図７は、ヘッドの拡大平面図である。ヘッドは、例えば、導電コイルパターン１３１で生起される磁界を利用してディスク１０４に２値情報を書き込む誘導書き込みヘッド素子（以下、「インダクティブヘッド素子」という。）１３０と、磁気ディスク１０４から作用する磁界に応じて変化する抵抗に基づき２値情報を読み取るＴＭＲヘッド素子１４０とを有するＭＲインダクティブ複合ヘッドである。
インダクティブヘッド素子１３０は、非磁性ギャップ層１３２と、上部磁極層１３４と、Ａｌ２Ｏ３からなる絶縁膜１３６と、上部シールド兼上部電極層１３９とを有する。但し、上部シールド兼上部電極１３９はＴＭＲヘッド素子１４０の一部も構成する。ＴＭＲヘッド素子１４０は、上部シールド層１３９と、下部シールド層１４２と、上部ギャップ層１４４と、下部ギャップ層１４６と、ＴＭＲ膜１５０と、ＴＭＲ膜１５０の両側に配置された一対のハードバイアス膜１６０とを有する。ＴＭＲ膜１５０は、図７に示す下から順に、フリー（強磁性）層１５２、（非磁性）絶縁層１５４、ピンド（磁性）層１５６、反強磁性層１５８を有する。ＴＭＲ膜は、絶縁層１５４を２つの強磁性層で挟んだ構造を持つ強磁性トンネル接合を有し、２つの強磁性層間に電圧を印加した場合に−側の強磁性層中の電子が絶縁層をくぐり抜けて＋側の強磁性層にトンネルする現象を利用する。絶縁層１５４には、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜を使用する。ＴＭＲヘッド素子１４０は、矢印ＣＦで示すように、ＴＭＲ膜１５０の積層面に垂直に又は積層方向に平行にセンス電流を印加するＣＰＰ構造を有する。
再び図１に戻って、キャリッジ１７０は、磁気ヘッド部１２０を図１に示す矢印方向に回動又は揺動する機能を有し、支軸１７４と、アーム１７６とを有する。支軸１７４は、キャリッジ１７０に設けられた円筒中空孔に嵌合し、筐体１０２内に図１の紙面に垂直に配置される。アーム１７６は、先端に貫通孔を有する。この貫通孔とベースプレート１７８を介してサスペンション１７９がアーム１７６に取り付けられる。
ベースプレート１７８は、サスペンション１７９をアーム１７６に取り付ける。サスペンション１７９は、磁気ヘッド部１２０を支持すると共に磁気ヘッド部１２０に対してディスク１０４に抗して弾性力を加える機能を有する。
ＨＤＤ１００の動作において、スピンドルモータ１０６はディスク１０４を回転させる。ディスク１０４の回転に伴う空気流をスライダとディスク１０４との間に巻き込み微小な空気膜を形成する。かかる空気膜により、スライダにはディスク面から浮上する浮力が作用する。サスペンション１７９はスライダの浮力と対向する方向に弾性押付力をスライダに加える。この結果、浮力と弾性力の釣り合いが形成される。
上述の釣り合いにより、磁気ヘッド部１２０とディスク１０４との間が一定距離だけ離間する。次に、キャリッジ１７０を支軸１７４回りに回動させ、ヘッドをディスク１０４の目的のトラック上にシークさせる。書き込み時には、インターフェースを介して図示しないＰＣなどの上位装置から得たデータを受信し、これを変調してインダクティブヘッド素子１３０に供給し、インダクティブヘッド素子１３０を介して目的のトラックにデータを書き込む。読み出し時には、ＴＭＲヘッド素子１４０に所定のセンス電流が供給され、ＴＭＲヘッド素子１４０はディスク１０４の所望のトラックから所望の情報を読み出す。本実施例は、ショート抵抗の高いＴＭＲヘッド素子１４０を選別しているのでＨＤＤ１００の読み出し動作も安定する。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。
ＴＭＲ膜の電圧と抵抗との関係を示すグラフである。 本発明の一実施例としての試験装置の平面図である。 本発明の一実施例の試験方法を説明するためのフローチャートである。 図３に示す試験方法で使用されるグラフである。 図３に示す試験方法で使用されるグラフである。 図１に示すヘッドジンバルアッセンブリが搭載されるＨＤＤの平面図である。 図６に示す磁気ヘッド部の概略拡大平面図である。
符号の説明
１ 試験装置
１０ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２ａ 制御部
４０ 検出部
５０ 電流供給部
１００ ハードディスク装置（ＨＤＤ）
１１１ ヘッドジンバルアッセンブリ
１２０ 磁気ヘッド部
１４０ ＴＭＲヘッド素子（再生素子）

Claims (9)

  1. トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法であって、
    異なる電流に対する第１及び第２の抵抗値を測定する測定ステップと、
    同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第１及び第２の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較ステップと、
    前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定ステップとを備えることを特徴とする再生素子試験方法。
  2. 良品の前記再生素子のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式を基に、良品に特定の抵抗値を有する抵抗を並列に繋いだ場合から前記抵抗値差分曲線を取得し、
    前記判定ステップは、前記抵抗値差分曲線と比較して前記抵抗変化率の絶対値が高い場合には前記再生素子を良品として判定することを特徴とする請求項１記載の再生素子試験方法。
  3. 前記良品の前記再生素子の前記特定の抵抗値は１０００Ωであることを特徴とする請求項２記載の再生素子試験方法。
  4. 前記トンネル磁気抵抗と電圧の理論式は、Ｂｒｉｎｋｍａｎの理論式であることを特徴とする請求項１記載の再生素子試験方法。
  5. 前記判定ステップにおいて前記再生素子の前記抵抗変化率が前記抵抗値差分曲線に近接しているならば前記再生素子を良品として判定することを特徴とする請求項１記載の再生素子試験方法。
  6. 前記第１及び第２の関係における抵抗は、０．１ｍＡを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第１の抵抗値であり、
    前記第１及び第２の関係における抵抗変化率は、０．４ｍＡを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第２の抵抗値から前記第１の抵抗値を引いた値を第１の抵抗値で割って１００をかけた値であることを特徴とする請求項１記載の再生素子試験方法。
  7. 前記再生素子に許容される抵抗の範囲は３００Ω乃至４００Ωであることを特徴とする請求項１記載の再生素子試験方法。
  8. トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験装置において、
    異なる電流に対する第１及び第２の抵抗値を測定する測定部と、
    同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第１及び第２の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較部と、
    前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定部とを備えることを特徴とする再生素子試験装置。
  9. 請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の試験方法をコンピュータにより実行させるためのプログラム。
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