JP2009146517A - 垂直磁気記録ヘッド - Google Patents

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Mikito Sugiyama
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喜久雄 楠川
Hiroyuki Hoshiya
裕之 星屋
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Abstract

【課題】主磁極から高い記録磁界強度を発生しながら、垂直磁界成分を安定して供給できる製造しやすい磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】主磁極1のポールチップ1aに、トレーリング側に非磁性層6を介して磁性体が積層され、側壁に磁気的に結合している第2のフレア部5を設ける。
【選択図】図11

Description

本発明は、垂直磁気記録方式を用いた磁気ディスク装置用の磁気ヘッドに係り、記録媒体に対して垂直な記録磁界を発生する垂直磁気記録ヘッドに関する。
近年、高い面記録密度への要望が増しており、磁気記録媒体への書き込みトラックピッチ及びビットの更なる狭小化が求められている。それに伴って、媒体の磁化領域の不安定化の要因としての磁化の熱揺らぎが問題となる。この問題を解決できる手法として、媒体に垂直な方向に磁化信号を記録する垂直磁気記録方式がある。この垂直磁気記録方式も、面記録密度を上げるために、媒体に対して垂直な記録磁界を発生する書き込み用の単磁極部が狭小化され、記録媒体を磁化させるに充分な垂直磁界を発生させることが困難になりつつある。
このような書き込み磁界強度の不足を補うために、スロートハイトを短くし、磁場の飽和位置を浮上面に近づけて磁界強度を確保する方法がある。しかし、コイルの誘導により発生した磁界を集めて浮上面まで導くフレア部が浮上面側に近接し、前記フレア部からの磁界漏れにより単磁極の幾何幅に対して記録磁化幅が増大する問題がある。
そこで、スロートハイトを詰めずに磁界強度を確保する方法として、特開2006−244671号公報には、主磁極の先端部を浮上面に露出する第1の部分と、第1の部分に対して素子高さ方向上部に位置し、リーディング側の面がヘッド浮上面に対して傾斜し素子高さ方向上部に向かって次第に膜厚を増す領域を有する第2の部分を設けて磁界強度を得る手段が開示されている。特開2001−101612号公報には、主磁極層のトレーリング側に磁気ヨークを配置する構造が開示されている。特開2001−143221号公報には、主磁極のスロートハイトゼロ位置よりも浮上面側に書き込み磁極の幅より広い連結部を設けて磁束の飽和位置を浮上面側にシフトさせて磁界強度を得る手段が開示されている。
特開2006−244671号公報 特開2001−101612号公報 特開2001−143221号公報
垂直磁気記録方式を用いた磁気ディスク装置の記録性能を向上させるには、記録用の書き込みヘッドが、記録媒体への必要な書き込み磁界強度と高い磁界勾配を発生する必要がある。また、書き込み用の主磁極層は、浮上面から記録媒体へ垂直な磁界を安定して供給する磁束の流れを確保する必要がある。しかし、高密度記録の要望に対して垂直記録用の単磁極ヘッドも浮上面側の形状が狭小化され、充分な磁界強度を記録媒体へ供給するのが困難になってきている。磁界強度を向上させる方法として、主磁極の浮上面から後退した位置のトレーリング側あるいはリーディング側に磁性体を積層して補助磁極とし、主磁極に磁束を補助的に供給して磁界強度を増加させる方法がある。この方法は、磁界強度を増加できるが、補助磁極の浮上面側先端部の近傍から主磁極層に磁束の流れ込みが生じ、磁束の流れを乱して主磁極に影響を与える問題がある。
本発明の目的は、主磁極の磁束の流れに影響を与えることなく、書き込み磁界強度を増加させ、また、磁界勾配を向上させて、記録性能を向上させた垂直磁気記録ヘッド及びその製造方法を提供することにある。
本発明の垂直磁気記録ヘッドは、記録媒体に垂直方向の磁界を印加する主磁極、記録媒体からの戻り磁界を吸い込む副磁極、主磁極に誘導磁界を発生させるコイル、主磁極のトレーリング側及びトラック幅方向両脇に配置されたシールドを有する。主磁極は、磁束を集めるヨーク部と、書き込み記録幅を規定するスロートハイト部と、スロートハイト部の素子高さ方向上部に位置し素子高さ方向に向かって次第に幅の広がるフレア部からなり、主磁極のフレア部のトレーリング側に非磁性層を介して磁性層を被覆して第2のフレア部とした。第2のフレア部の磁性層の一部は、主磁極の側壁と結合されている。第2のフレア部内の磁束は、主磁極の磁束の流れと同一方向に向かう。
本発明の垂直磁気記録ヘッドの特徴は、主磁極のトレーリング側に非磁性層を介して磁性層(第2のフレア部)を設けたことである。単磁極の主磁極の場合は、主磁極のトレーリング側の表面から浮上面に達する前に磁束が漏れていたが、本発明のように非磁性体を介して第2のフレア部を設けることにより、主磁極のトレーリング側の磁束は、非磁性層を介した第2のフレア部のリーディング側の磁束に沿って平行に流れ、磁束漏れが抑制されながら浮上面に向かう。主磁極の磁界強度は維持しながら、第2のフレア部による補助的な磁界の増強により、主磁極は高磁界を浮上面から放出し、記録媒体に書き込むことができる。
本発明の垂直磁気記録ヘッドの製造にあたっては、主磁極層のトレーリング側の非磁性キャップ層の上に非磁性層を積層し、エッチングマスク層を積層し、フォトリソグラフィーにより選択的にエッチングマスク層を露出させ、エッチングマスク層をイオンミリング,RIM(リアクティブイオンミリング),RIE(リアクティブイオンエッチング)により形成する工程と、エッチングマスク層を用いて、非磁性層と非磁性キャップ層と主磁極層を順次イオンミリングにより形成する工程を有する。イオンの入射角度は、例えば30度から70度の範囲とする。非磁性層は、例えばAl,Si,Ta,Ti等の酸化物,窒化物の単層膜及び積層膜、又はCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜により形成され、エッチングマスク層は、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物,窒化物の単層膜及び積層膜等を用いるハードマスク層、又は、フォトレジストの単層膜及びハードマスク層とフォトレジストの2層膜を用いる。エッチングマスク層が除去され、主磁極が形成される。形成された主磁極のトレーリング側の非磁性層の上に、リフトオフ用2層フォトレジストマスクを形成し、フォトリソグラフィーにより主磁極のフレア部の幅より幅広く開口部を形成し、スパッタリング法を用いて磁性体を主磁極の側壁と表面を被覆するように積層する。リフトオフ用2層レジストマスクの除去工程により、第2のフレア部が主磁極のトレーリング側のフレア部に形成される。第2のフレア部は、例えばCo,Ni,Feのうちで少なくとも2種の元素を含む磁性材料で形成する。
本発明によると、垂直磁気記録ヘッドの主磁極に、第2のフレア部が補助的に磁界を供給し、主磁極の書き込み磁界強度を増加できる。磁界強度が増加することにより、記録性能に寄与する書き滲みの抑制及び磁界勾配に影響を与えるシールドと主磁極のギャップ間隔を狭めることによる磁界強度が低下しても、記録媒体に書き込む必要な磁界を維持できる。また、主磁極層の磁性体に、補助磁極の磁性体を直接積層した場合、補助磁極の端部から磁束が主磁極に流れ込み、記録性能の一つである磁界勾配が低下する。本発明においては、主磁極層と第2のフレア部の間に非磁性層を介することにより、主磁極は、主磁極のトレーリング側と第2のフレア部が磁気的に分離され、主磁極の磁束の流れは、非磁性層により第2のフレア部からの主磁極への磁束の流れ込みが抑制され、主磁極の磁束の流れを妨げることなく、高い磁界勾配を有する磁気記録ヘッドを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において同様の機能部分には同じ符号を付して説明する。
図1は、磁気記録再生装置の概念図である。磁気ディスク(記録媒体)11はモータ28により回転駆動される。情報の入出力時に、回転する磁気ディスク(記録媒体)11上の所定位置へサスペンションアーム12の先端に固定したスライダー13が移動して、スライダー13に形成された薄膜磁気ヘッドにより磁化信号の記録再生を行う。ロータリアクチュエータ15を駆動することにより、磁気ヘッドの磁気ディスク半径方向の位置(トラック)を選択することができる。磁気ヘッドへの記録信号及び磁気ヘッドからの読み出し信号は信号処理回路35a,35bにて処理される。
図2(a)は、本発明による磁気ヘッドの一例を示すトラック中心での断面模式図、図2(b)は主磁極先端付近の拡大図である。この磁気ヘッドは、主磁極1と補助磁極3とを備えた単磁極の記録ヘッド25と、再生素子4を備えた再生ヘッド24を有する記録再生複合ヘッドである。巨大磁気抵抗効果素子(GMR)やトンネル磁気抵抗効果型素子(TMR)などからなる再生素子4は、リーディング側の下部シールド8とトレーリング側の上部シールド9からなる一対の磁気シールド(再生シールド)間に配置されている。記録ヘッド25の主磁極1と補助磁極3は、浮上面から離れた位置でピラー17によって磁気的に接続され、主磁極1と補助磁極3とピラー17によって構成される磁気回路に薄膜コイル2が周回されている。主磁極1は、ピラー17と接続されている主磁極ヨーク部1bと、ポールチップ1aから構成される。主磁極のポールチップ1aには、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む高い飽和磁束密度を有する磁性体の単層膜や積層膜を用いることができる。主磁極ヨーク部1bの材料としては、例えば、Co,Ni,Feの2種以上の元素を含む磁性材料が用いられる。
ポールチップ1aは、記録媒体11への書き込み幅を規定するヘッド浮上面側のスロートハイト部と、浮上面から後退して角度90°で幅方向が広がるフレア部と、そのフレア部のトレーリング側と側部に被覆された磁性層からなる第2のフレア部5を有する。第2のフレア部5は、ポールチップ1aのフレア部のトレーリング側に非磁性層6を介して設けられると共に、フレア部の側壁と直接結合している。非磁性層6の材料としては、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物,窒化物,の単層膜及び積層膜、またCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜を用いることができる。また、第2のフレア部5の材料としては、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料等の単層膜や積層膜を用いることができる。主磁極1に対して、第2のフレア部5として被覆された磁性体により、補助的な磁界の増強がなされる。
記録ヘッド25の主磁極1から出た磁界は、磁気記録媒体11の磁気記録層19及び軟磁性裏打ち層(SUL:soft under layer)20を通って補助磁極3に入り、磁気記録層19に磁化パターンが記録される。この磁化パターン形状は、主磁極1の書き込み性能と浮上面側に設けられたシールド32により規定される。本発明の主磁極構造によると、トラック幅方向の主磁極1のサイドからの磁束の漏れを抑制し、主磁極1のトレーリング側の磁界勾配を高めてビット遷移幅を小さくすることにより、高記録密度が可能になる。
図3は、図2に示した垂直磁気記録ヘッドのうちの第2のフレア部5、主磁極1及びシールド32の部分を抜き出して、その平面形状を図3(a)に、断面形状を図3(b)に示したものである。ここで、スロートハイト部は、浮上面から主磁極の書き込み幅が規定されている範囲THのことである。なお、主磁極の幅が、浮上面に近づくに連れて書き込み幅まで狭められた範囲との境界線をスロートハイトゼロTH0とする。また、フレア部は、主磁極の奥行き方向の幅の広い部分が、浮上面にむかって書き込み幅まで狭められ、書き込み幅を規定しているスロートハイトとの境界線(スロートハイトゼロ)までの範囲FLをいう。
図3に示すように、主磁極1のポールチップ1aのトレーリング側及び側方は、非磁性ギャップ層を介してシールド32によって三方から包みこまれている。主磁極1のポールチップ1aの浮上面側から放出される磁束は、シールド32により磁気記録媒体11のトラック幅方向の磁束の漏れが抑制され、主磁極1のトレーリング側の磁界勾配を高めて、ビット遷移幅を小さくしている。主磁極1のポールチップ1aの浮上面形状は、トレーリング側の幅が広く、リーディング側の幅が狭い逆台形形状になっている。磁気記録媒体11の内側から外側まで走査されるとき、記録ヘッドは、記録媒体の位置によって記録トラックに対して異なる角度をとる。これをスキュー角θという。主磁極1の浮上面形状を逆台形形状とするのは、スキュー角θが生じた場合に隣接トラックに大きな磁界が印加され、その結果、隣接トラックのデータが減衰あるいは消去されるのを防ぐためである。
図6は、主磁極の浮上面に向かう磁束の流れを示す模式図である。図中の左側に浮上面を示す。図6(a)は従来構造の単磁極の記録ヘッドの場合の模式図、図6(b)は主磁極層のトレーリング側に磁性層を直接積層した記録ヘッドの場合の模式図、図6(c)は本発明の記録ヘッドの場合の模式図である。図中の矢印は磁束の流れを表し、線の太さで磁束密度を表示している。図4は、従来構造の単磁極の記録ヘッドの部分拡大図であり、図2(b)に対応する図である。また、図5は、主磁極層のトレーリング側に磁性層を直接積層した記録ヘッドの部分拡大図であり、図2(b)に対応する図である。以下では、図4に示す記録ヘッドを比較例1の記録ヘッド、図5に示す記録ヘッドを比較例2の記録ヘッドという。
図6(a)に示すように、比較例1の記録ヘッドの場合、ポールチップ1aを流れる磁束は、浮上面近傍まで矢印で示すように同一方向に向かう。ポールチップ1aの外周には、漏れ磁界が発生する。浮上面側のポールチップ1aのトレーリング側に設けられたシールド32に近づくに従い、トレーリング側の磁束の一部は、シールド32に吸われはじめる。他の磁束は、浮上面側から記録媒体へ向い、記録媒体を磁化反転させる。この記録媒体の移動方向における単位長さ当たりの、磁界変化量(磁界勾配)が記録性能に影響を与える。図6(b)に示した比較例2の記録ヘッドの場合、ポールチップ1aに直接積層された磁性層7を流れる磁束は、浮上面側の先端部で、シールド32に吸われる磁束と磁気的に結合しているポールチップ1aに流れ込む磁束とに分かれ、ポールチップ1aに流れ込んだ磁束は、ポールチップ1aを流れる磁束を一度押し下げてから、浮上面から記録媒体へ放出される。放出される磁束は、記録媒体に対して垂直な成分が損なわれ、磁束が、ポールチップ1aのトレーリング側に広がり、シールド32に面している記録媒体側に磁界漏れが生じる。この磁界漏れは、全体の磁界変化量を減少させ、磁界勾配に影響を与える。
図6(c)に示した本発明の記録ヘッドの場合、第2のフレア部5の磁束の流れは、ポールチップ1aの磁束の流れと同じになる。ポールチップ1aのトレーリング側を流れる磁束と第2のフレア部5のリーディング側の磁束は平行に流れ、ポールチップ1aのトレーリング側の漏れ磁界は抑制され、第2のフレア部5のトレーリング側からの漏れ磁界になる。ポールチップ1aのトレーリング側に非磁性層を介して第2のフレア部5の磁性体が積層されているために、第2のフレア部5の磁束は、ポールチップ1aに磁束が流れ込まずに、シールド方向と浮上面方向へ磁束が向かう。つまり、主磁極1の磁束の流れに影響を与えずに、補助的な磁界の増強と記録媒体に対して垂直な磁界成分を増加できるため、磁界勾配が向上する。
例えば、図2に示した本発明の記録ヘッドは、安定した磁束の流れと書き込み磁界の増加により、比較例1の記録ヘッドと同じ書き込み磁界強度にすると、薄膜コイルへの印加電流が小さくても済む。そのため、発熱量が抑えられ、記録ヘッドに用いられる部材の熱膨張による浮上面の変形が抑えられる。その結果、安定した低浮上量が得られ、記録媒体の記録層と記録ヘッドの浮上面との距離が小さくなり、磁界勾配が向上し、垂直磁気記録ヘッドとしての性能が向上する。また、磁界強度が増加することにより、記録媒体に書き込む必要磁界を維持しながら、記録媒体へ書き込むポールチップ1aを狭小化できるため、高記録密度の磁気記録ヘッドができる。
本発明の記録ヘッドと、比較例1の記録ヘッド及び比較例2の記録ヘッドについて、記録磁界強度を3次元磁界計算により計算した。図7に、磁界増加量と被覆した磁性膜厚の関係を計算した結果を示す。
計算条件は以下の通りである。本発明の記録ヘッドは、主磁極1が、ポールチップ1aのスロートハイトの浮上面側の幅80nm、膜の厚さ180nm、スキュー角θに対応する角度9°でリーディング側の幅が狭く、トレーリング側の幅が広い逆台形形状とし、浮上面までのスロートハイト80nmとし、フレア部はスロートハイトゼロから4.9μmまでとした。第2のフレア部5の下端は、スロートハイトゼロから素子高さ方向へ100nmの位置とし、浮上面からの位置は180nmとした。また、主磁極のポールチップ1aと第2のフレア部5の材料としてはコバルトニッケル鉄(CoNiFe)を想定し、飽和磁束密度を2.4T、比透磁率を500とした。また、ポールチップ1aと第2のフレア部5を分離するために挿入した非磁性層のアルミナ(Al23)で、厚さは20nmとした。第2のフレア部5を構成する磁性体のポールチップ1aの側壁への積層を考慮して、第2のフレア部5は、フレア部の幅より被覆した磁性体の厚さ分だけ幅が広いものとした。
ポールチップ1aの素子高さ方向の端部と、第2のフレア部5の素子高さ方向の端部は同じ位置とした。主磁極のヨーク部1bは、飽和磁束密度が1.0T、比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定した。シールド32は、飽和磁束密度が1.0T、比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定し、浮上面からのハイト(奥行き方向)を80nmとし、非磁性ギャップ層のアルミナを介して三方からポールチップを包み込んでいるものとした。磁気記録媒体11の裏打ち層20の材料としてはCoTaZrを想定し、ヘッド浮上面から裏打ち層20の表面までの距離は44nm、裏打ち層20の厚さは60nmとした。記録磁界はヘッド浮上面から22nmの磁気記録層中心位置を想定した位置で算出した。媒体記録層は厚さ20nmだけを考慮し、磁化特性は考慮しなかった。
比較例1の記録ヘッドに対しては、第2のフレア部5が無い以外は、形状、材料ともに図2に示した記録ヘッドと同様の条件で計算を行った。比較例2の記録ヘッドに対しては、主磁極1のポールチップ1aのトレーリング側のフレア部に磁性体7を積層した以外は、形状、材料ともに図2に示した記録ヘッドと同様の条件で計算を行った。
図7の横軸は、本発明の記録ヘッドの第2のフレア部5の磁性体の厚さに相当する。比較例2の記録ヘッドに対しては、横軸は、主磁極1のポールチップ1aのトレーリング側のフレア部に積層した磁性体7の膜厚に相当する。この条件の場合、被覆した磁性体の厚さがゼロの場合が、比較例1の記録ヘッドに対応する。比較例1の記録ヘッドに対して、本発明の記録ヘッドと、比較例2の記録ヘッドの磁界強度の増加量を縦軸に示した。図中、星印が比較例1の記録ヘッド、白丸が比較例2の記録ヘッド、黒丸が本発明の記録ヘッドに対する計算結果である。比較例1の記録ヘッドの磁界強度は、10.23kOeである。
比較例2の記録ヘッドより、本発明の記録ヘッドが、非磁性層6のアルミナ(Al23)を介して磁性体を積層しているにもかかわらず、磁界強度の増加量が大きい。磁界強度の増加量が大きい理由は、第2のフレア部5がポールチップ1aの側壁も被覆していることによる磁界の増加分が加算されるためである。例えば、磁界勾配を20%増加させるために、ポールピース1aとその三方を包囲するシールド32のギャップを10nm狭くすると、磁界強度が7%低下し、比較例1の記録ヘッドは、記録媒体への書き込み磁界を確保できない事になるが、本発明の記録ヘッド及び比較例2の記録ヘッドは、磁界強度が増加しているために、充分に記録媒体への書き込み磁界を確保できる。尚、磁界強度は、被覆した磁性体の厚さに比例して増加するが、磁性体の膜厚がある値を越えると増加率が小さくなる。図7によると、第2のフレア部5における磁性体の厚さは、磁界の増強効果がある10nmから磁界の増加傾向が小さくなる150nm以下が好ましい。
図8に、本発明の記録ヘッドの第2のフレア部の下端位置と磁界強度及び磁界勾配の関係を示す。比較例1の記録ヘッド及び比較例2の記録ヘッドに対する計算結果も合わせて示した。
計算条件は以下の通りである。本発明の記録ヘッドの主磁極1のポールチップ1aのスロートハイトの浮上面側は、幅80nm、膜の厚さ180nm、スキュー角θに対応する角度9°のリーディング側の幅が狭く、トレーリング側の幅が広い逆台形形状とし、浮上面までのスロートハイト80nmとして、フレア部はスロートハイトゼロから4.9μmまでの範囲とした。第2のフレア部5の下端位置を、スロートハイトゼロの位置からフレア部の素子高さ方向200nmまでの範囲で動かして計算した。また、主磁極のポールチップ1aと第2のフレア部5の材料はコバルトニッケル鉄(CoNiFe)を想定し、飽和磁束密度を2.4T、比透磁率を500とした。ポールチップ1aのトレーリング側と第2のフレア部5の間に挿入した非磁性層はアルミナ(Al23)で、厚さは20nmとし、第2のフレア部5の磁性体の厚さは40nmとした。第2のフレア部5の幅は、ポールチップ1aの左右の側壁への磁性体の積層を考慮して、フレア部の幅より80nm広いものとした。ポールチップ1aの素子高さ方向の端部位置と、第2のフレア部5の素子高さ方向の端部位置は同じとした。
主磁極1のヨーク部1bは、飽和磁束密度が1.0T、比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定した。シールド32は、飽和磁束密度が1.0T、比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定し、浮上面からのハイト(奥行き方向)を80nmとし、非磁性ギャップ層のアルミナを介して三方からポールチップを包み込んでいる。磁気記録媒体11の裏打ち層20の材料としてはCoTaZrを想定し、ヘッド浮上面から裏打ち層20の表面までの距離は44nm、裏打ち層20の厚さは60nmとした。記録磁界は、ヘッド浮上面から22nmの磁気記録層中心位置で算出した。媒体記録層は厚さ20nmだけを考慮し、磁化特性は考慮しなかった。
図8(a)及び図8(b)の横軸は、本発明の記録ヘッドの場合、第2のフレア部5の浮上面側の先端部のスロートハイトゼロからの位置、比較例2の記録ヘッドの場合は、主磁極層のトレーリング側に積層した磁性体7のスロートハイトゼロからの位置に相当する。図中、星印が比較例1の記録ヘッド、白丸が比較例2の記録ヘッド、黒丸が本発明の記録ヘッドに対する計算結果である。
比較例2の記録ヘッドの場合、図8(a)に示すように、積層した磁性体7の浮上面側の端部がスロートハイトゼロ側に近づくに連れて主磁極1の磁界強度が増加する。それに反して、図8(b)に示す磁界勾配は、積層した磁性体7の浮上面側の端部がスロートハイトゼロ側に近づくにつれて低下する傾向を持つ。磁界勾配が低下する原因は、図6(b)に示すように、積層した磁性体7の先端部近傍の磁束が、ポールチップ1aに流れ込み、ポールチップ1aの磁束の流れに影響を与えて垂直磁界分布を乱すためである。磁性体7の浮上面側の端部をスロートハイトゼロから素子高さ方向100nmに配置した場合は、浮上面に達するまでに磁束の流れは修復されるが、浮上面に近づくに連れて影響が大きくなり、磁界勾配が低下する。
本発明の記録ヘッドの場合は、図8(b)に示すように、第2のフレア部5の下端位置がポールチップ1aのスロートハイトゼロから素子高さ方向20nmの位置に配置したとき比較例1の記録ヘッドの磁界勾配と同等の磁界勾配を持ち、第2のフレア部5の下端位置がスロートハイトゼロから素子高さ方向100nmの位置に遠ざかるまで磁界勾配が増加し、最大値となる。その後、第2のフレア部5の下端位置を更に引き上げると、磁界強度の低下とともに、磁界勾配も低下傾向を示す。スロートハイトゼロ近傍に第2のフレア部5が有る場合は、第2のフレア部5の磁束が、浮上面側に設けられたシールド32に吸われ、シールドからの磁界漏れが大きくなり、磁界勾配が低下する。第2のフレア部5が、シールド32から遠ざかるに連れて、シールドからの漏れ磁界が小さくなるとともに、磁界勾配が大きくなる。
図8の計算結果から、第2のフレア部5の浮上面側の先端部の設定位置は、磁界増強の効果と磁界勾配を考慮すると、磁界増強の効果としては、スロートハイトゼロより素子高さ方向20nm以上から比較例1の記録ヘッドと同等の磁界勾配まで低下する200nm以下が好ましい。
図9に、第2フレア部と主磁極を磁気的に分離する非磁性層の厚さに対する磁界強度と磁界勾配の変化を示す。
この計算の条件は以下の通りである。図2に示した、本発明の記録ヘッドの主磁極1のポールチップ1aのスロートハイトの浮上面側は、幅80nm、膜の厚さ180nm,スキュー角θに対応する角度9°のリーディング側の幅が狭く、トレーリング側の幅が広い逆台形形状とし、浮上面までのスロートハイト80nmとした。フレア部は、スロートハイトゼロから4.9μmまでの範囲とした。第2のフレア部5は、浮上面側の先端位置が、スロートハイトゼロの位置から素子高さ方向100nmにあるとして計算している。主磁極のポールチップ1aと第2のフレア部5の材料はコバルトニッケル鉄(CoNiFe)を想定し、飽和磁束密度を2.4T、比透磁率を500とした。また、ポールチップ1aのトレーリング側と第2のフレア部5の間に挿入した非磁性層の材料はアルミナ(Al23)とし,厚さを0nmから60nmまで変えて計算を行った。厚さが0nmは,非磁性層6を介さない状態で、ポールチップ1aを第2のフレア部5の磁性体で被覆した。
第2のフレア部5の厚さは40nmとした。第2のフレア部5の幅は、ポールチップ1aの左右の側壁への磁性体の積層を考慮して、ポールチップのフレア部の幅より80nm広いものとした。ポールチップ1aの素子高さ方向の端部位置と、第2のフレア部の素子高さ方向の端部の位置は同じとした。主磁極1のヨーク部1bは、飽和磁束密度が1.0T、比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定した。シールド32は、飽和磁束密度が1.0T,比透磁率1500の80at%Ni−20at%Feを想定し、浮上面からのハイト(奥行き方向)を80nmとし、非磁性ギャップ層のアルミナを介して三方からポールチップを包み込んでいる。磁気記録媒体11の裏打ち層20の材料はCoTaZrを想定し、ヘッド浮上面から裏打ち層20の表面までの距離は44nm,裏打ち層20の厚さは60nmとした。記録磁界はヘッド浮上面から22nmの磁気記録層中心位置で算出した。媒体記録層は厚さ20nmだけを考慮し、磁化特性は考慮しなかった。
図9(a)及び図9(b)の横軸は、ポールチップ1aのトレーリング側と第2のフレア部5を磁気的に分離する非磁性体6の厚さに相当する。図9(a)の縦軸は、比較例1の記録ヘッドの磁界強度に対する磁界の増加分を示す。また、図9(b)の縦軸は、磁界勾配を示す。図中、星印が比較例1の記録ヘッド、黒丸が本発明の記録ヘッドに対する計算結果である。比較例1の記録ヘッドの磁界強度は、10.23kOeである。
この条件の場合は、非磁性体6の無い状態が磁界強度の増加分は大きいが、磁界勾配は低い。つまり、非磁性体6の無い状態では、図6(b)示すように、積層した磁性体の先端部近傍の磁束が、ポールチップに流れ込みポールチップの磁束の流れに影響を与えるために、磁界勾配が低下している。非磁性体6は、厚さ10nm以上80nm以下にすれば、磁界増強効果とともに磁界勾配を、比較例1の記録ヘッドよりも高めに設定できる。
また、これまでの説明では、図2及び図3に示すように、第2のフレア部5の浮上面側の先端部の形状が浮上面と平行になっているものとしたが、図17に示すように、第2のフレア部5のトレーリング側の浮上面から素子高さ方向に磁性体の厚さが増加するテーパ状態を有しても本発明の特性になんら影響を与えるものではない。図17は図3に対応する図であり、図17(a)は平面模式図、図17(b)は断面模式図である。
以下、本発明の記録ヘッドの製造方法について説明する。図10、図11、図12は、本発明の記録ヘッドを製造する方法の一実施例を示す製造工程図である。
図10は、主磁極1のヨーク部1bを製造した後、CMP工程により平坦化された状態から主磁極1及び非磁性層6の積層されたポールチップ1aの製造工程を示す。主磁極1のヨーク部1bは図中の右側に図示する。図の左側が浮上面側である。
図10(a)に示すように、主磁極となる磁性層1の上に非磁性キャップ層101を積層し、磁性層1を安定化させる熱処理を行う。次に、第2のフレア部用の非磁性層6を積層する。主磁極1には、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む高い飽和磁束密度を有する磁性体の単層膜や積層膜を用いることができる。非磁性キャップ層は、主磁極のトレーリングエッジを保護するためのものであり、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物の単層膜及び積層膜、又はCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜等を用いることができる。第2のフレア部用の非磁性層6は、主磁極と第2のフレア部を磁気的に分離するためのもので、膜厚は磁界増強の効果と磁界勾配から10nm以上80nm以下で、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物の単層膜及び積層膜、又はCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜等を用いることができる。
次に、図10(b)に示すように、主磁極のヨーク部を製造した後にCMP工程により平坦化された状態の第2のフレア部用の非磁性層6の上面に、エッチングマスク層を形成する。このエッチングマスク層は、エッチング層102とハード層103からなり、エッチング層102は、主磁極の加工が終了するまでに、マスク材として機能する充分な膜厚のレジストを用いる。ハード層103には、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物の単層膜及び積層膜等を用いて、フォトレジスト106により加工できる膜厚とともに、主磁極1のイオンミリング加工が終了する前には、イオンミリング加工により除去される膜厚の単層膜や積層膜を用いる。加工後のエッチングマスク層は、レジスト層102のみが残り、除去が簡便にできる。エッチングマスク層上に、フォトレジスト106を主磁極の形状に合わせて形成する。フォトレジストパターン106をイオンミリング、RIE(リアクティブエッチング)、RIM(リアクティブイオンミリング)の手法を用いて、エッチング層のハードマスク層103に転写する。加工用のガスとしては、例えばAr,CF4,CHF3,SF6等の単ガスや混合ガスを用いる。転写パターンを、RIE手法により選択エッチング速度差の大きい反応性ガスを用いて、エッチング層102に転写する。反応性ガスとして、例えばO2,CO,CO2等の単ガスや混合ガスを用いることにより選択エッチングが可能となる。
次に、図10(c)に示すように、第2のフレア部用の非磁性層6、非磁性キャップ層101及び主磁極層1をエッチングし、主磁極1の浮上面の形状を逆台形形状に加工する。その後、エッチング層を除去する。
図11(a)〜(c)にリフトオフを用いて、主磁極1に第2のフレア部の磁性体107を形成するリフトオフ手法の模式断面図と斜視図を示す。リフトオフ用の2層レジストは、下層部106が、光に反応しないレジスト層と光に反応する上層部105のレジスト層により構成される。穴明けパターンの場合は、図11(a)に示すように、下層レジスト106に対して上層レジスト105がオーバーハング状に形成される。このリフトオフ用の2層レジストパターン上に磁性体107は、スパッタリング手法を用いて積層する。
図11(b)に、リフトオフ後の断面模式図を示し、図11(c)に、断面に対応した斜視図による、主磁極1のトレーリング側に形成された第2のフレア部5を示す。
磁界増強の効果と磁界勾配から、磁性体107の厚さを10nm以上150nm以下とし、材料としては、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料の単層膜や積層膜を用いることができる。また、磁性体107の積層する位置として、磁界勾配と磁界増強から、浮上面側のスロートハイトゼロから奥行き方向のフレア側の20nm以上200nm以下に第2のフレア部5の浮上面側の先端部が配置されることが好ましい。主磁極1のトレーリング側の上部の不要な磁性体107は、リフトオフ手法により除去され、第2のフレア部5が形成される。
次に、磁気記録ヘッドの性能を、左右する要因の一つである書き込み性能を向上させるためのシールドを設けるために、ギャップ層の形成を行う。図3に示すように、シールドは主磁極を三方から包みこんでいる。このシールド32と主磁極1を磁気的に分離するために、非磁性体によるギャップ層を設ける。この非磁性体のギャップ層の積層には、カルーセル型スパッタ装置、イオンビームデポジション装置、CVD装置(ケミカルデポジション)あるいはALD装置(アトミックレイヤデポジション)等のパターンの側壁への付き回りが良い装置を用い、基板の全面に積層する。次に、ギャップ層の厚さを決める加工を行う。主磁極とシールドの側壁のギャップ層の厚さは、積層する非磁性体の厚さで決めるのが望ましい。また、イオンミリングを用いて、主磁極とシールドの側壁のギャップ層の厚さを決める場合は、側壁の非磁性層にイオンを入射角度50〜70度の範囲で入射させると、側壁へのミリング速度が大きくなる。主磁極のトレーリング側とシールド間のギャップ層の厚さは、イオン入射角度を30〜60度の範囲で入射させると、上部へのミリング速度を大きくし、側壁の非磁性層のミリング速度を小さくできる。
その後、図2及び図3に示すように、主磁極1をポールチップ1aとヨーク部1bに分離する工程を行う。図12(a)〜(c)に、主磁極1をポールチップ1aとヨーク部1bに分離する工程の断面模式図及び断面に対応した斜視図を示す。図12(a)に示すように、主磁極1のパターンと第2のフレア部5が、シールド用ギャップ層108の非磁性体で被覆された面に、フォトレジストパターン109をフォトリソグラフィー手法により形成する。図12(b)に示すように、イオンミリングにより、シールド用ギャップ層108、第2のフレア部の磁性層5、非磁性層6、非磁性キャップ層101及び主磁極層1aがミリングにより除去されて、主磁極1がポールチップ1aとヨーク部1bに分離される。図12(c)に、フォトレジストが除去された状態の斜視図を示す。ポールチップ1aは、イオンミリングにより加工されたピラー17側の端部以外を非磁性体により被覆され、本発明の第2のフレアも同様に非磁性体により被覆され、第2のフレア部5のピラー17側の端部の位置が決められる。
本実施例によると、従来の主磁極の形成工程にリフトオフを用いた磁性体の積層工程を追加することで、第2のフレア部5を形成できる。第2のフレア部5を、非磁性層6を介してポールチップ1aに設けて磁界強度が増加することにより、記録媒体に書き込む必要磁界を維持しながら、増加した磁界をシールドの強化に配分し、書き滲みの抑制及び磁界勾配を向上させることができる。
本発明の磁気記録ヘッドの製造方法の他の実施例を説明する。ここでは、図10から図12に示した工程と異なる工程についてのみ説明する。
図10(c)に示すように、第2のフレア部用の非磁性層6、非磁性キャップ層101及び主磁極1の磁性層をエッチングし、主磁極1の浮上面の形状を逆台形形状に加工し、その後に、エッチング層102を除去する。ここまでは、前記の工程と同様である。次に、図13(a)にように、主磁極1の書き込み幅を規定するスロートハイト部に、レジスト層110を形成する。このレジスト層110を用いて、主磁極1のスロートハイト部を被覆して保護する。次に、第2のフレア部5の磁性層107を基板の全面にスパッタリング法により積層する。磁性層107が、積層された状態を図13(b)の斜視図に示す。磁性体の材料としては、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料の単層膜や積層膜を用いる。磁界増強の効果と磁界勾配から、磁性体107の厚さは10nm以上150nm以下とすることが好ましい。
その後に、図13(c)に示すように、イオンミリング用のエッチング用のフォトレジストマスク111をフォトリソグラフィーにより形成する。フォトレジストマスク111を形成する位置として、浮上面側のスロートハイトゼロから奥行き方向のフレア側の20nm以上200nm以下の位置に、浮上面側の第2のフレア部5の磁性体の先端部が形成されるように配置する。フォトレジスト111をマスクにして、イオンミリングにより不要の磁性体をミリングし、第2のフレア部5を形成する。イオンミリングのイオン入射角度を45度から60度の範囲とする。このイオン入射角度は、ミリングによる再付着が少ないので好ましい。以後の工程は、図12の(a)〜(c)までと同様の工程のため、説明を省略する。本実施例によれば、第2のフレア部の位置を再現性良く形成することが可能である。
本発明の磁気記録ヘッドの製造方法の他の実施例を説明する。ここでは、図10から図12に示した工程と異なる工程についてのみ説明する
図14(a)の断面模式図に示すように、主磁極1のヨーク部1bを製造した後にCMP工程により平坦化された状態の基板上に、主磁極1の磁性層、非磁性キャップ層101、非磁性層6、及び第2のフレア部5の磁性層107を順次積層して、磁性層を安定化させる熱処理を行なった。主磁極1は、高飽和磁束密度を有する例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料の単層膜や積層膜を用いることができる。非磁性キャップ層101は、主磁極のトレーリングエッジを保護するために、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物の単層膜及び積層膜、又はCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜等を用いることができる。非磁性層6は、主磁極1と第2のフレア部5を磁気的に分離するために、膜厚としては、磁界増強の効果と磁界勾配から10nm以上80nm以下で、材料としては、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物の単層膜及び積層膜、又はCr,NiCr,Rh,Mo,Nb,Au等の非磁性金属の単層膜や積層膜等を用いることができる。第2のフレア部5に用いる磁性層としては、磁界増強の効果と磁界勾配から厚さを10nm以上150nm以下とし、材料としては、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料等の単層膜や積層膜の磁性体等を用いることができる。
次に、図14(b)に示すように、主磁極1のヨーク部1bを製造した後にCMP工程により平坦化された状態の第2のフレア部5の磁性層107の上にフォトレジスト112により、エッチング用のパターンを形成する。フォトレジスト112をマスクにイオンミリングによって、磁性層107の浮上面側のスロートハイトゼロからフレア側の第2のフレア部を形成する浮上面側の先端部20nm以上200nm以下の範囲で主磁極のトレーリング側の浮上面側をミリングで磁性体層を除去する。基板面が平坦化された状態で第2のフレア部5の浮上面側の位置を決めることにより、加工精度を向上させることが可能になる。フォトレジストマスクを除去し、図14(c)に示すように、第2のフレア部5の磁性体の浮上面側の先端部の位置が決まる。
その後、図15(a)に示すように、エッチングマスク層を形成する。このエッチングマスク層は、エッチング層102とハード層103からなり、エッチング層102は、主磁極の加工が終了するまでに、マクス材として機能する充分な膜厚のレジストを用いる。ハード層103の材料は、例えば、Al,Si,Ta,Ti等の酸化物、窒化物を用いて、フォトレジスト106により加工できる膜厚とともに、主磁極1のイオンミリング加工が終了する前には、イオンミリング加工により除去される膜厚の単層膜や積層膜を用いる。主磁極の加工後のエッチングマスク層は、エッチング層102のみが残り、除去が簡便にできる。エッチングマスク層上に、フォトレジスト106を主磁極の形状に合わせてパターンニングする。フォトレジストパターン106をイオンミリング、RIE(リアクティブエッチング)、RIM(リアクティブイオンミリング)を用いて、エッチング層のハードマスク層103に転写する。加工用のガスとしては、例えばAr,CF4,CHF3,SF6等の単ガスや混合ガスを用いる。次に、ハードマスク層103の転写パターンを、RIE手法を用いてエッチングマスク層のエッチング層102に転写する。反応性ガスとしては、O2,CO,CO2等を用いて行う。
次に、図15(b)に断面模式図、及び図15(c)に断面に対応した斜視図を示す。第2のフレア部5の磁性層107、非磁性層6、非磁性キャップ層101及び主磁極1の磁性層をエッチングし、主磁極のパターン及び主磁極の浮上面側の形状を逆台形形状に加工し、エッチング層を除去する。
その後、図16(a)に示すように、主磁極の側壁に磁性体107bを被覆するためのリフトオフパターン115が、2層レジストにより形成される。リフトオフパターンの位置は、磁性層107の浮上面側の先端部よりピラー17側に磁性体107bの先端部が積層されることが好ましい。リフトオフ用の2層レジストは、下層部115bの光に反応しないレジスト層と光に反応する上層部115aのレジスト層により構成され、穴明けパターンの場合は、下層レジスト115bに対して上層レジスト115aがオーバーハング状に形成される。第2のフレア部5のトレーリング側に、例えば、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料の単層膜や積層膜を、スパッタリング手法を用いて積層する。図16(b)に断面模式図を、図16(c)に断面に対応する斜視図を示す。不要な磁性体は、リフトオフ手法を用いて除去し、第2のフレア部5を形成する。以後の工程は、図12の(a)〜(c)まで同様の工程のため、説明を省略する。
本実施例の場合は、第2のフレア部5の主磁極の側壁に積層された磁性体の厚さと主磁極のトレーリング側に積層された磁性体の厚さが異なる。また、第2のフレア部が、分離された工程のため、浮上面側の位置が異なる。主磁極の側壁の磁性体は、主磁極と第2のフレア部の磁束の流れ方向を合わせる磁気的な結合を得る目的のため、磁性体107bの浮上面側の先端部が磁性層107の浮上面側の先端部より、ピラー17側に形成されれば良い。また、第2のフレア部5の磁性層の厚さが、主磁極1の側壁とトレーリング側で異なっても、本発明の磁気記録ヘッドの特徴である、記録磁界の増強及び磁界勾配の向上に、なんら問題とはならない。本実施例の場合は、第2のフレア部の浮上面側の先端部の位置が、主磁極パターン形成前の平坦な状態で形成できることで、第2のフレア部の浮上面側の先端部の位置を高精度に決められる。
また、これまで説明した製造方法の実施例では、図2及び図3のように、第2のフレア部5の浮上面側の先端部の形状が浮上面と平行になっているが、図17に示すように、製造方法により第2のフレア部5のトレーリング側の浮上面から奥行き方向に磁性体の厚さが増加するテーパ状態を有しても、本発明の特性になんら影響を与えるものではない。
磁気記録再生装置の概略図。 本発明による磁気ヘッドの一例のトラック中心での断面模式図と拡大図。 本発明による記録ヘッドの一例の主磁極部分の平面模式図と断面模式図。 比較例の記録ヘッドの拡大図。 比較例の記録ヘッドの拡大図。 磁束の流れを示した模式図。 磁界増加量と第2のフレア部の膜厚の関係を示した図。 第2のフレア部の位置による磁界強度と磁界勾配変化を示す図。 第2フレア部と主磁極を磁気的に分離する非磁性層の厚さによる磁界増加量と磁界勾配変化を示した図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 本発明の記録ヘッドの製造工程を示す図。 テーパ形状を有する第2のフレア部を示す模式図。
符号の説明
1…主磁極、1a…ポールチップ、1b…主磁極ヨーク部、2…薄膜導体コイル、3…補助磁極、4…再生素子、5…第2のフレア部、6…非磁性層、8…下部シールド、9…上部シールド、11…磁気ディスク、12…サスペンションアーム、13…磁気ヘッドスライダー、15…ロータリアクチュエータ、17…ピラー、19…磁気記録層,20…裏打ち層、24…再生ヘッド、25…記録ヘッド、32…シールド、101…非磁性キャップ、102…エッチング層、103…ハード層、105…上層レジスト、106…下層レジスト、107…磁性層、107b…磁性体、108…シールドギャップ層、109…フォトレジスト層、115a…上層レジスト、115b…下層レジスト

Claims (6)

  1. 主磁極と、
    副磁極と、
    前記主磁極のトレーリング側及びトラック幅方向両脇に配置されたシールドと、
    前記主磁極から記録磁界を発生させるためのコイルとを備え、
    前記主磁極は、書き込み記録幅を規定するスロートハイト部と、前記スロートハイト部に対して素子高さ方向上部に位置し素子高さ方向に向かって次第に幅の広がるフレア部とを有し、
    前記フレア部のトレーリング側に非磁性層を介して被覆した磁性層からなる第2のフレア部が設けられていることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
  2. 請求項1記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、前記第2のフレア部は前記フレア部の側壁に接続していることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
  3. 請求項1記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、前記第2のフレア部は、Co,Ni,Feのうち少なくとも2種の元素を含む磁性材料で形成されていることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
  4. 請求項1記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、前記第2のフレア部の膜厚は10nm以上150nm以下であることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
  5. 請求項1記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、前記第2のフレア部は、前記フレア部の下端から素子高さ方向に20nm以上200nm以下の範囲に浮上面側の端部があることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
  6. 請求項1記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、前記非磁性層の膜厚は10nm以上80nm以下であることを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
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