JP2012038929A - 熱電変換素子、それを用いた磁気ヘッド及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン流熱電変換素子の出力及び熱電変換効率の増大を図る。
【解決手段】素子の基本構造を積層フェリ構造０４とし、その積層面にＰｔなどのスピン軌道相互作用の大きな非磁性導電層０２が接合された構造とする。非磁性導電層の積層フェリ構造の積層方向に生じた電圧差を電圧計０５で検出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、スピン流熱電変換素子、それを用いた磁気ヘッド、及び磁気記録装置に関する。

磁気記録再生装置市場においては、年率４０％超の記録密度向上が要求されており、現在の成長率に従うと２０１５年頃には２−５Ｔｂ/ｉｎ²に到達すると推測される。テラビット級の磁気記録装置に対し、磁気記録再生ヘッドには、高出力化・高分解能化が求められている。

現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance）ヘッドやＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）ヘッドが提案されている。これらスピンバルブタイプの再生素子は、媒体からの漏洩磁界の検出方法として磁性層（自由層）を用いており、磁化を一方向に固着した磁性層（固定層）との間での相対的な磁化の向きに関して、抵抗変化を示す。

現行のＴＭＲヘッドなどは、膜面と垂直にセンス電流を流す必要があるため、高分解能化を進めると、印加できるセンス電流に限界が生じる。このセンス電流限界のため、ＴＭＲ接合を用いないＣＰＰ−ＧＭＲが期待されているが、出力という観点で課題が生じる。また、ＣＰＰ構造の素子に関しては、シールドギャップ内に磁性層・反強磁性層を配置する必要があるため、高分解能化に伴い、各磁性層の体積を減少させなければならない。この磁性層の体積減少のため、１Ｔｂ／ｉｎ²を超える分解能の場合、磁化の熱揺らぎによる磁気ノイズが深刻な課題となっている。

特許文献１には、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が開示されている。スピンゼーベック効果とは、スピン流を介した熱電効果である（非特許文献１）。

特開２００９−１３００７０号公報

K.Uchida et al., "Observation of the spin Seebeckeffect", Nature, Vol.455, PP.778-781

スピンゼーベック効果を利用する素子は、磁性層とスピン軌道相互作用の大きな非磁性層が電気的に接合された構造を有する。磁性層の両端部に熱勾配を与えると、磁性層内部にスピン流が発生し、熱によって発生した極性の異なるスピン流が、磁性層の両端部へそれぞれ移動し、スピン軌道相互作用の大きな非磁性層へと流れ込む。移動したスピン流が非磁性層中を流れると、スピンと軌道の相互作用によって非磁性層の両端に電圧を発生する。この効果はスピンホール効果として知られており、その電圧差はスピン流の総量とスピン軌道相互作用の大きさに依存する。結果として、磁性層の両端部に熱勾配を与えることで、それに接合された非磁性層端部にスピン流の総量に依存した電位差が発生する。この効果は、スピンゼーベック効果として知られている。また、スピンゼーベック効果による出力電圧は、磁性層の磁化の向きに依存し、電圧が外部磁場を示すことが特徴である。以上により、スピンゼーベック効果を応用すると、センス電流を必要としない、高分解能かつ低マグノイズを特徴とする磁気再生センサを作製することが可能となる。

しかし、現行の素子のスピンゼーベック効果は、その熱電変換効率が低いため、磁気再生センサとして、十分な出力信号を得ることができない。そのため、スピン流を用いたゼーベック効果において、いかに熱電変換効率を向上させるかが課題となっている。

本発明では素子の基本構造を、従来の単層の磁性層から、積層フェリ構造へと変化させる。この積層フェリ構造は、Ｒｕなどの非磁性層を２層の磁性層で挟んだ構造であり、２層の磁性層の磁化が互いに反平行に向くように、非磁性層の膜厚を調整する。また、積層フェリ構造を備えた複数の磁性層の端部に、Ｐｔなどのスピン軌道相互作用の大きな非磁性層が接合された構造とする。

本発明の一例の熱電変換素子は、磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行になっている多層膜と、多層膜の積層面に電気的に接合された非磁性導電層と、多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、非磁性導電層の前記多層膜の積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子と、を備える。

温度勾配の方向は、磁性層の磁化方向と平行あるいは反平行な方向、あるいは、磁性層の磁化方向に直交する方向である。非磁性導電層は、磁性層の磁化方向に平行な多層膜の積層面に電気的に接合されている。

本発明による一例の磁気再生ヘッドは、磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行、かつ浮上面に対して垂直な方向を向いている多層膜と、多層膜を挟むように配置された一対の磁気シールドと、多層膜の積層面に電気的に接合され、かつ各端部が前記一対の磁気シールドにそれぞれ接続された非磁性導電層と、多層膜の浮上面に対して素子高さ方向奥側の面を加熱あるいは吸熱して多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、一対の磁気シールド間の電圧差を検出するための一対の端子と、を備える。

本発明による他の例の磁気再生ヘッドは、磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行、かつ浮上面に対して平行な方向を向いている多層膜と、多層膜を挟むように配置された一対の磁気シールドと、多層膜の積層面に電気的に接合された非磁性導電層と、非磁性導電層に隣接して設けられ、非磁性導電層を介して多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、非磁性導電層の多層膜の積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子と、を備える。

積層フェリ構造の熱電変換素子を用いることにより、センス電流を必要としない、高分解能かつ低マグノイズの磁気再生センサが提供される。

単層の磁性層を適用したスピンゼーベック効果の原理図。 単層の磁性層を適用したスピンゼーベック効果の原理図。 積層フェリ構造を用いた第１のスピン流高出力熱電変換素子の模式図。 積層フェリ構造を用いた第２のスピン流熱電変換素子の模式図。 第２のスピン流熱電変換素子を用いた第１のスピン流熱電変換再生ヘッドの模式図。 積層フェリ構造を用いた第３のスピン流熱電変換素子の模式図。 積層フェリ構造を用いた第４のスピン流熱電変換素子の模式図。 第４のスピン流熱電変換素子を用いた第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの模式図。 熱源の制御法の模式図。 第１のスピン流熱電変換再生ヘッドの作製工程図。 第１のスピン流熱電変換再生ヘッドの作製工程図。 第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの作製工程図。 第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの作製工程図。 第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの出力電圧Ｖの特性図。 出力信号ΔＶ、及び、温度差ΔＴの積層回数依存性。 プレーナ型磁気記録再生ヘッド構造。 本発明による磁気記録再生ヘッドを備えた磁気記録装置の概略図。

以下、本発明によるスピン流熱電変換素子、及びそれを利用した磁気再生センサについて説明する。
図１は、単層の磁性層０１を適用したスピンゼーベック効果の模式図である。素子は磁性層０１とスピン軌道相互作用の大きな非磁性導電層０２を備え、磁性層０１と非磁性導電層０２は電気的に接合されている。図の例では、磁性層０１の一端に、矢印で示す磁化方向と直交する向きに、非磁性導電層０２が接合されている。磁性層０１は熱勾配ΔＴをもっており、その方向は磁性層０１の磁化の向きと反平行である。この場合、スピンゼーベック効果によって、磁化の向きに依存して電圧が発生し、磁化の向きが熱勾配と反対向きの場合、出力電圧ΔＶが得られる。この出力電圧ΔＶは、熱勾配の大きさに正の符号を持って比例する。

磁性層０１は、代表的にはＣｏ，Ｎｉ，Ｆｅ、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している化合物からなる材料であるが、一般に、磁化を持つものであれば、磁性導電体、磁性半導体、磁性絶縁体など、その種類は問わない。また、その形状も問わない。一方、非磁性導電層０２としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している化合物に代表される、スピン軌道相互作用の大きな非磁性金属が用いられる。

図２に、単層の磁性層０１を適用したスピンゼーベック効果の他の模式図を表す。図１の素子とは、磁性層０１の磁化方向が逆向きになっている。この構成の場合、出力電圧ΔＶは、熱勾配の大きさに負の符号を持って比例する。

以上のように、単層の磁性層を用いた熱電変換素子では、図１のように熱勾配の向きと磁化方向が反平行の場合、スピンゼーベック効果によって、磁化の向きに比例した出力電圧ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ０が観測される。この出力電圧ΔＶの大きさは、熱勾配の大きさΔＴに比例して増加し、単位熱勾配あたりの出力電圧は、スピンゼーベック係数αを用いて、ΔＶ／ΔＴ＝αで表される。一方、図２のように熱勾配の向きと磁化方向が平行の場合、その出力電圧ΔＶ＝Ｖ０−Ｖ２の大きさは、熱勾配の大きさに比例して増加するが、単位熱勾配あたりの出力電圧は、ΔＶ／ΔＴ＝−αで表される。

本発明では、熱電変換素子の磁性層を、磁化が互いに反対方向になるように調整された積層フェリ構造とする。この素子に温度勾配をつけた場合、積層フェリ構造を構成する第１の磁性層の磁化は熱勾配の向きと平行になり、第２の磁性層の磁化は熱勾配の向きと反平行になる。そのため、トータルの電位差Ｖ１−Ｖ２としては、図１で説明した単層の場合の出力電圧ΔＶの値を用いると、
ΔＶ’＝Ｖ１−Ｖ２＝２ΔＶ
となる。単位熱勾配あたりの出力電圧は、単層の場合のスピンゼーベック係数αを用いて、
ΔＶ’／ΔＴ＝２ΔＶ／ΔＴ＝２α
と表される。また、単層の磁性層を用いた場合の熱電変換効率Ｚは、ゼーベック係数α、抵抗率ρ、熱伝導度κを用いて、
Ｚ＝α^２／（ρ・κ）
の形で表される。そこで、２層の磁性層を備える積層フェリ構造を用いた場合の熱電変換効率Ｚ’は、
Ｚ’＝（２α）／（２ρ・κ）＝２Ｚ
となる。

そのため、熱電変換素子の磁性層に積層フェリ構造を適用した場合、熱電変換効率は、単層の磁性層を用いたスピンゼーベック効果と比較し、２倍大きな値を得ることが出来る。また、出力電圧、及び変換効率は、積層回数と比例しており、仮にＮ層の積層フェリ構造を適用したスピンゼーベック効果においては、それらは、Ｎ倍の大きな値を示す。従って、熱電変換素子の磁性層に積層フェリ構造を適用することで、熱電変換効率を飛躍的に向上させることが可能となり、本発明によって、超テラビット磁気記録装置対応の高出力磁気再生センサが実現可能となる。

図３は、本発明を適用した第１のスピン流熱電変換素子の模式図である。非磁性層０３が２つの磁性層０１によって挟まれた構造をとっており、２つの磁性層０１の磁化がそれぞれ反平行を向いた積層フェリ構造をとっている。非磁性層０３は、Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｔａ、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している化合物に代表される非磁性層である。この積層フェリ構造の一端面に、それぞれの磁化方向と平行に、非磁性導電層０２が接合された構造をとり、積層方向の電圧を検出する構造とする。熱勾配の方向は、それぞれの磁化の向きと平行になるように印加するが、熱勾配の向きは特に問わない。

本構成において、積層フェリ構造を適用したスピンゼーベック効果によって、磁化の向きに依存して電圧が発生し、それぞれの磁化反転に対応して、絶対値２ΔＶの出力電圧が得られる。また、この場合、熱電変換効率Ｚ’の大きさは、単層のスピンゼーベック効果の場合の大きさと比較し、２倍の大きさとなる。

図４に、Ｎ層の積層フェリ構造を用いた第２のスピン流熱電変換素子０４を示す。第２の素子は、磁性層０１と非磁性層０３を薄膜化し、交互にＮ層積層した積層膜を有する。なお、非磁性層０３を挟んで隣接する２つの磁性層０１の磁化が互いに反平行になるように、非磁性層０３の膜厚を調整している。また、非磁性導電層０２は、積層フェリ構造の一端面に、磁化と平行方向に電気的に接合されており、積層フェリ構造内に熱によって発生したスピン電子を検出する役割を持っている。この非磁性導電層０２は、積層フェリ構造の積層方向に発生する電圧を検出する電圧計０５を備えている。熱勾配の方向は、それぞれの磁化の向きと平行あるいは反平行になるように印加するが、熱勾配の向きは特に問わない。

本構成において、積層フェリ構造を適用したスピンゼーベック効果によって、磁化の向きに依存して電圧が発生し、それぞれの磁化反転に対応して、絶対値ＮΔＶの出力電圧が得られる。また、この場合、熱電変換効率Ｚ’の大きさは、単層のスピンゼーベック効果の場合の大きさと比較し、同じ温度差ΔＴにおいても、Ｎ倍増加する。以上のことより、本構成を適用することで、大出力、及び、高変換効率の熱電変換素子を提供することが可能となる。

図５に、第２の熱電変換素子を用いた第１のスピン流熱電変換再生ヘッド構造を示す。その基本構成は、図４で示したスピン流熱電変換素子０４の一端が、磁気記録媒体に面しており、他端に熱源０６を備える。すなわち、積層フェリ構造を有する第２のスピン流熱電変換素子０４は、その磁性層の磁化方向が浮上面（磁気記録媒体に面した側の面）に対して垂直になるように配置され、素子高さ方向の奥側の面に熱源０６を備える。

また、第２のスピン流熱電変換素子０４を挟むように、素子の積層方向に素子から離間して一対の磁気シールド０７が配置されている。第２のスピン流熱電変換素子０４の積層面には非磁性導電層０２が電気的に接合され、非磁性導電層０２の両端は、磁気シールド０７にそれぞれ電気的に接合されている。なお、積層フェリ構造の磁化方向と熱勾配の向きは平行あるいは反平行であり、磁気シールド間の電位差を電圧計０５で検出する構造となっている。

熱源０６は、ヒータ抵抗を用いた発熱体、レーザースポット、赤外線スポットなどによる発熱機構を備えており、その機構は特に制限しない。また、ペルチェ素子、磁気冷凍素子などの吸熱機構によって膜面方向に温度勾配をつける構造でもよい。磁気シールド０７は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している化合物からなる電気導電性をもつ材料とする。

本構成では、熱源０６によって、スピン流熱電変換素子０４の面内方向に温度勾配を生じさせ、スピン流を発生させる。発生したスピン流は、面内の磁化方向に依存して移動し、非磁性導電層０２に流れ込む。その結果、非磁性導電層０２の積層方向には電圧差ＮΔＶが生じ、その出力電圧を２つの磁気シールド０７を用いて、電圧計０５で検出する構造となっている。スピン流熱電変換素子０４の磁化は、記録媒体からの漏洩磁場によって、磁化の向きが変動するため、本構造を適用することにより、センシング電流を必要としない再生ヘッドを提供することができる。

図６は、積層フェリ構造を用いた第３のスピン流熱電変換素子の模式図である。非磁性層０３が２つの磁性層０１によって挟まれた構造を有し、２つの磁性層０１の磁化がそれぞれ反平行を向いた積層フェリ構造をとっている。積層フェリ構造の一端面に、それぞれの磁化方向と平行に、非磁性導電層０２が接合されている。図３に示した第１のスピン流熱電変換素子との相違点は、温度勾配の印加方向が異なる点である。第３のスピン流熱電変換素子は、積層フェリ構造の磁化及び電圧発生方向とそれぞれ直交する方向に熱勾配ΔＴを印加した構造となっている。本構造においては、熱によって発生したスピン流が、磁化方向と熱勾配方向のそれぞれに直交する方向に流れる。これは、熱流と磁場のそれぞれの向きと直交する方向に電場が生じる横ネルンスト効果と呼ばれる現象によるものであり、スピン流を用いた場合、磁性層の内部磁場と熱勾配の向きと直交する膜積層方向に電圧差が生じる。また、それぞれの磁性層の磁化が反平行になっていることから、非磁性導電層０２の膜面積層方向に２ΔＶの大きさの電位差が生じる。

図７は、Ｎ層の積層フェリ構造を用いた第４のスピン流熱電変換素子の模式図である。第４の素子は、磁性層０１と非磁性層０３が交互にＮ層積層された積層フェリ構造を有し、電圧検出方向、磁化の向き、熱勾配の方向が、それぞれ直交関係にある。なお、非磁性層０３を挟んで隣接する２つの磁性層０１の磁化は、互いに反平行になるように、非磁性層０３の膜厚を調整している。また、非磁性導電層０２は、積層フェリ構造の一端面に電気的に接合されており、積層フェリ構造内に熱によって発生したスピン電子を電圧計０５で検出する。

本構成において、スピン流を用いた横ネルンスト効果によって、磁化の向きに依存して電圧が発生し、それぞれの磁化反転に対応して、絶対値ＮΔＶの出力電圧が得られる。また、この場合、熱電変換効率Ｚ’の大きさは、単層のスピン横ネルンスト効果の場合の大きさと比較し、同じ温度差においても、Ｎ倍増加する。以上により、本構成を適用することで、大出力、及び高変換効率の熱電変換素子を提供することが可能となる。

図８は、図７に示した第４の熱電変換素子を用いた第２のスピン流熱電変換再生ヘッド構造を示す模式図である。その基本構成は、積層方向の端面（膜面）が磁気記録媒体に面した積層フェリ構造のスピン流熱電変換素子０４が、非磁性導電層０２を介して、磁気シールド０７に電気的に接合された構造をとる。すなわち、第４のスピン流熱電変換素子０４は、膜面が浮上面と平行になるようにして、一対の磁気シールド０７の間に配置されている。第４のスピン流熱電変換素子０４の積層面には、非磁性導電層０２が電気的に接合されている。発熱機構あるいは吸熱機構を備えた熱源０６は非磁性導電層０２に隣接して設けられている。非磁性導電層０２は熱源伝導部を兼用しており、熱源０６による熱勾配を素子０４へ伝達する役割を担っている。非磁性導電層０２には、第４のスピン流熱電変換素子０４の多層膜積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子が設けられている。

本構造は、第１のスピン流熱電変換再生ヘッド構造と比較し、プレーナ型構造となるため、分解能を向上させることが可能となっている。積層フェリ構造のスピン流熱電変換素子０４の磁化は、記録媒体からの漏洩磁場によって、磁化の向きが変動するため、スピン流を用いた横ネルンスト効果によって、磁化の向きに依存して電圧が発生し、それぞれの磁化反転に対応して、絶対値ＮΔＶの出力電圧が得られる。本構造は記録媒体面に対して垂直な方向に磁性層を積層した構造となっているため、記録媒体と反対の方向（素子高さ方向奥側）では、磁性層の体積を増大させることが可能となる。また、それぞれの磁化は、積層フェリ構造を用いていることから、反強磁性結合しており、この観点でも磁気的に安定した構造となっている。以上のことより、本構造を適用することにより、センス電流を必要としない、高分解能かつ低マグノイズを特徴とする磁気再生センサを提供することができる。

図９は、熱源０６の構成例を示す図である。スピン流熱電変換素子０４に熱勾配を発生される手段として、ヒータ抵抗を用いた発熱機構、又は、ペルチェ素子を用いた吸熱機構１０から、Ｃｕなどの熱伝導の高い熱伝導体０９を介して、熱流を伝導させる機構を持つ。発熱、又は、吸熱体１０には、パルス状の電圧を印加できるパルス電圧発生装置１１を有し、瞬間的な発熱・吸熱を与えることで、急峻な熱勾配を発生させることが可能となる。このパルス状の熱流は、周期同調制御機構１２を用いて、再生のタイミングと同期させることが出来る構造となっている。

図１０及び図１１の工程図を参照して、図５に示した第１のスピン流熱電変換再生ヘッド構造の作製に関して、詳細に述べる。

(1) 第１工程 下部磁気シールド、及び、積層フェリ膜形成
自然酸化膜つきＳｉ基板上に下部磁気シールド０７であるＮｉＦｅを１μｍ、層間絶縁膜０８であるＡｌ₂Ｏ₃を２０ｎｍ、積層フェリ構造０４であるＮｉＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．６５ｎｍ）の多層膜を１０００層の順で積層する。これら薄膜の形成には、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いた。

(2) 第２工程 微細加工パターニング
第１工程で作製された多層膜上に、ポジレジストを塗布し、下部磁気シールド電極のパターンをＩ線ステッパにて露光する。その後、ミリングによって下部磁気シールド電極のパターンを加工する。下部電極のパターンは、５μｍ×２０μｍとした。その後、電子線描画装置を用い、１００ｎｍ×２００ｎｍのレジスト・マスクパターンを形成し、その後、Ａｒイオン・ミリング装置にて、層間絶縁膜０８が露出するまでエッチングを行う。

(3) 第３工程 絶縁膜形成
第２工程で加工した微細パターン上に、層間絶縁膜０８であるＡｌ₂Ｏ₃を１μｍ積層する。なお、この絶縁膜形成は、第２工程のＡｒイオン・ミリング装置内にて行い、酸化による影響を極力軽減した方式をとっている。

(4) 第４工程 非磁性電極パターニング
第３工程で加工した絶縁膜上に、ポジレジストを塗布する。その後、非磁性電極用のパターンを、Ｉ線ステッパを用いて露光する。露光後、再び、Ａｒイオン・ミリング装置を用いて、非磁性電極のパターンを加工する。なお、加工深さは、層間絶縁膜０８が露出するまでエッチングを行う。

(5) 第５工程 非磁性電極作製
第４工程で作製された非磁性電極パターンに、非磁性電極０２であるＰｔを５μｍ積層する。Ｐｔの形成にはメッキ法を用い、表面のクリーニングを行う。

(6) 第６工程 伝熱経路パターン作製
ポジレジストを塗布し、伝熱経路用のパターンを、Ｉ線ステッパを用いて露光する。現像後、Ａｒイオン・ミリングを用いて、伝熱経路用のパターンを加工する。

(7) 第７工程 伝熱経路作製
第６工程で作製された伝熱経路用のパターン上にＣｕ膜を、メッキ法を用いて３μｍ形成する。

(8) 第８工程 層間絶縁膜＋コンタクトホール
再び層間絶縁膜０８であるＡｌ₂Ｏ₃を５０ｎｍ積層し、伝熱経路用のコンタクトホールを作製する。コンタクトホールは、ポジレジストを用いたＩ線ステッパによる露光でパターニングする。その後、Ａｒイオン・ミリングを施す。

(9) 第９工程 上部磁気シールド作製
表面のクリーニング後、上部磁気シールド０７であるＮｉＦｅを１μｍ積層し、Ｉ線ステッパによるパターン露光とＡｒイオン・ミリングによる加工を行う。その後、各磁気シールドから電圧計までの配線、及び、抵抗ヒータからパルス電圧発生装置までの配線を行い、再生ヘッドが完成する。

次に、図１２及び図１３の工程図を参照して、図８に示した第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの作製に関して、詳細に述べる。

(1) 第１工程 積層フェリ膜形成
自然酸化膜つきＳｉ基板上に主磁極材料１７であるＣｏＦｅを１００ｎｍ、その上にＮｉＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．６５ｎｍ）の多層膜を１０００層積層する。これら薄膜の形成には、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用いた。

(2) 第２工程 微細加工パターニング
記録媒体に対向する面の微細加工を行う。第１工程で作製された多層膜上に、微細加工用のハードマスク材料Ａｌ₂Ｏ₃を２０ｎｍ積層し、更にネガレジストを塗布する。その後、電子線描画装置を用い、２０ｎｍ×１０ｎｍのレジスト・マスクパターンを形成する。リアクティブ・イオン・エッチング法によって、マスクパターンをハードマスク材料に転写し、その後、Ａｒイオン・ミリング装置にて、１μｍの深さまで加工する。

(3) 第３工程 絶縁膜形成
第２工程で加工した微細パターン上に、層間絶縁膜０８であるＡｌ₂Ｏ₃を１μｍ積層する。なお、この絶縁膜形成は、第２工程のＡｒイオン・ミリング装置内にて行い、酸化による影響を極力軽減した方式をとっている。

(4) 第４工程 非磁性電極パターニング
第３工程で加工した絶縁膜上に、ポジレジストを塗布する。その後、非磁性電極用のパターンを、Ｉ線ステッパを用いて露光する。露光後、再び、Ａｒイオン・ミリング装置を用いて、非磁性電極のパターンを加工する。なお、加工深さは、積層フェリ構造０４の側壁が露出するまで、エッチングする。なお、この工程では、ポジレジストは剥離しない。

(5) 第５工程 非磁性電極・伝熱経路作製
第４工程で作製された非磁性電極パターンに、Ｐｔを１００ｎｍ積層する。その後、剥離液を用い、非磁性電極パターン以外のＰｔ膜をリフトオフ法によって、剥離する。その後、非磁性電極０２と熱源０６であるヒータとを接地し、伝熱経路の配線を行う。

(6) 第６工程 磁気シールドパターニング
次に、再び、ポジレジストを塗布し、磁気シールド用のパターンを、Ｉ線ステッパを用いて露光する。現像後、Ａｒイオン・ミリングを用いて、磁気シールド用のパターンを加工する。

(7) 第７工程 磁気シールド形成
第６工程で作製された磁気シールドのパターン上にＮｉＦｅ膜を、メッキ法を用いて５００ｎｍ程度形成する。

(8) 第８工程 ＣＭＰ研磨＋各種配線
次に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を使用して、積層フェリ構造０４の最表面まで研磨を行い、記録媒体対向面を露出させる。その後、Ｐｔから電圧計までの配線、及び、抵抗ヒータからパルス電圧発生装置までの配線を行い、再生ヘッドが完成する。

上記のようにして作製した、図８に示す第２のスピン流熱電変換再生ヘッドの出力特性について説明する。第２のスピン流熱電変換再生ヘッドは、ＮｉＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．６５ｎｍ）／ＮｉＦｅ（３ｎｍ）の積層フェリ構造を有し、積層回数は１０００回である。熱源ヒータの温度を２００℃に設定した場合、熱勾配が３０℃／ｍｍとなった。この時、熱電変換素子の記録媒体対向面と熱源に接している面との温度差ΔＴは０．１２Ｋとなり、第２の積層フェリ構造を持つ再生ヘッドの出力電圧特性を測定した。図１４に磁化の角度に対する出力電圧の結果を示す。出力電圧は磁化の向きに従いコサイン曲線を描き、磁化反転に伴い、ΔＶ＝２５μＶの値を示した。この値は、単層のＮｉＦｅを用いた場合の約１００万倍大きな値となる。

図１５は、第２のスピン流熱電変換再生ヘッドにおける、積層フェリ構造の積層回数に対する出力信号ΔＶ、及び、温度差ΔＴをプロットした図である。なお、熱勾配の条件は、３０℃/ｍｍとする。積層回数を上げていくと、積層方向に膜厚が増加するため、一定の熱勾配の条件でも、大きな温度差が生じると予想される。また、前記の通り、出力信号ΔＶも積層回数の倍数だけ増加するため、結果として、図１５の様な飛躍的な出力の向上が期待される。また、積層回数が増えた場合、熱源による熱揺らぎの影響も相対的に小さくなるため、再生ヘッドを構成する上では、積層回数は多い方が望ましい。

図１６は、第２のスピン流熱電変換再生ヘッド１３と記録ヘッド１４を併用したプレーナ型磁気記録再生ヘッド構造１８を示す。記録ヘッド１４は、リターンヨーク１５、磁界発生用のコイル１６、主磁極１７からなり、主磁極１７の先端部に再生ヘッド１４で用いた積層フェリ構造を備えている。この構成は、主磁極１７の先端部と再生ヘッド１４の材料を積層フェリ構造し、かつ、主磁極１７の材料を共通化することが可能であるため、プレーナ型磁気ヘッドの加工がしやすくなるメリットがある。また、磁気シールド０７の一部は、再生ヘッド１３及び記録ヘッド１４と共通化することで、ヘッド間距離を近づけることが可能である。以上により、本発明によって、高分解能なプレーナ型記録再生磁気ヘッドを提供することが可能となる。

図１７は、本発明による磁気記録再生装置の概略図である。この磁気記録再生装置は、図１６で示した磁気ヘッド１８と、磁気ヘッドを磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ２０及びスライダ１９と、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった磁気記録層を有する磁気記録媒体２１と、磁気記録媒体２１を駆動する駆動機構２２と、磁気ヘッド１８からの出力信号を処理する手段とを備える。

以上、積層フェリ構造の熱電変換素子を用いることにより、出力信号が飛躍的に向上し、センス電流を必要としない磁気再生センサを提供することができる。

０１ 磁性層
０２ 非磁性導電層
０３ 非磁性層
０４ Ｎ層の積層フェリ構造
０５ 電圧計
０６ 熱源
０７ 磁気シールド
０８ 絶縁体
０９ 熱導伝体
１０ 発熱機構又は吸熱機構
１１ パルス電圧発生装置
１２ 周期同調制御機構
１３ 再生ヘッド
１４ 記録ヘッド
１５ リターンヨーク
１６ コイル
１７ 主磁極
１８ 磁気記録再生ヘッド
１９ スライダ
２０ アクチュエータ
２１ 磁気記録媒体
２２ 基板回転機構

Claims (6)

1. 磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、前記非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行になっている多層膜と、
   前記多層膜の積層面に電気的に接合された非磁性導電層と、
   前記多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、
   前記非磁性導電層の前記多層膜の積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子と、
   を備えることを特徴とする熱電変換素子。
2. 請求項１記載の熱電変換素子において、
   前記温度勾配の方向が、前記磁性層の磁化方向と平行あるいは反平行であることを特徴とする熱電変換素子。
3. 請求項１記載の熱電変換素子において、
   前記温度勾配の方向が、前記磁性層の磁化方向に直交する方向であることを特徴とする熱電変換素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電変換素子において、前記非磁性導電層は、前記磁性層の磁化方向に平行な前記多層膜の積層面に電気的に接合されていることを特徴とする熱電変換素子。
5. 磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、前記非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行、かつ浮上面に対して垂直な方向を向いている多層膜と、
   前記多層膜を挟むように配置された一対の磁気シールドと、
   前記多層膜の積層面に電気的に接合され、かつ各端部が前記一対の磁気シールドにそれぞれ接続された非磁性導電層と、
   前記多層膜の浮上面に対して素子高さ方向奥側の面を加熱あるいは吸熱して前記多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、
   前記一対の磁気シールド間の電圧差を検出するための一対の端子と、
   を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。
6. 磁性層と非磁性層が交互に複数層積層され、前記非磁性層を挟んで隣り合う２つの磁性層の磁化方向が互いに反平行、かつ浮上面に対して平行な方向を向いている多層膜と、
   前記多層膜を挟むように配置された一対の磁気シールドと、
   前記多層膜の積層面に電気的に接合された非磁性導電層と、
   前記非磁性導電層に隣接して設けられ、前記非磁性導電層を介して前記多層膜の膜面方向に温度勾配を与える機構と、
   前記非磁性導電層の前記多層膜の積層方向に生じた電圧差を検出するための一対の端子と、
   を備えることを特徴とする磁気再生ヘッド。

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