JP3939215B2 - 薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバー - Google Patents

薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバー Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーに関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気ディスク装置の大容量小型化、高記録密度化に伴い、薄膜磁気ヘッドの性能向上が求められている。誘導型電磁変換素子によって記録と再生を行う薄膜磁気ヘッドに代わり、書き込み用誘導型電磁変換素子を有する記録ヘッドと読出用の磁気抵抗効果素子を有する再生ヘッドとを積層した構造の複合型薄膜磁気ヘッドが広く用いられている。
【0003】
磁気抵抗効果素子は、外部磁場に対して素子抵抗が変化する。磁気記録媒体における測定対象となる磁化遷移領域からの磁場以外の磁場は、検出時には不要であるため、薄膜磁気ヘッドにおいては、このような不要磁場を遮断する磁気シールドが磁気抵抗効果素子を挟んでいる。
【0004】
このような構造の薄膜磁気ヘッドとしては、GMR(Giant Magneto Resistive)素子及びTMR(Tunnel Magneto Resistive)素子等が列挙される。なお、薄膜磁気ヘッドは電子通過方向によっても分類されており、フリー磁性層の厚み方向に沿って電子が流れる磁気検出素子構造をCPP(Current Perpendicular to Plane)構造、これに垂直な面内において流れる磁気検出素子構造をCIP(Current In Plane)構造という。
【0005】
いずれの薄膜磁気ヘッドにおいても、特性検査が行われる。1つのウエハやバー等の基体内に形成される薄膜磁気ヘッドの数は比較的多いため、全ての素子の検査を行うことは合理的ではない。したがって、幾つかの薄膜磁気ヘッドについて完成前の段階で薄膜磁気ヘッドの形成された基体を磁場内に配置し、その特性検査を行うことが考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気シールドの存在により、完成前の段階で薄膜磁気ヘッドに磁場を印加しても磁気抵抗効果素子の抵抗は変化しにくく、磁気抵抗効果素子の抵抗変化を生じさせるためには、非常に強い磁場を印加しなくてはならない。ところが、このような強磁場の印加された状態では、精密な特性検査は困難である。
【0007】
また、磁気記録媒体の磁化遷移領域からの高速読出は、高速な交流磁場の読出に対応するため、このような特性検査を薄膜磁気ヘッドに適用することも期待される。ところが、薄膜磁気ヘッドを高速変化する交流磁場中に配置しても、磁気シールドのヒステリシスループによって、磁気抵抗効果素子の抵抗変化が殆ど現れず、精密な特性検査はできない。
【0008】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小さな磁場変化で磁気抵抗が変化可能な薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る薄膜磁気ヘッド用評価素子は、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドとを備えた薄膜磁気ヘッド用評価素子において、磁気シールドの厚み方向に垂直な直交2軸をそれぞれ縦軸及び横軸とした場合、媒体対向面は横軸に沿って構成され、磁気シールドの横方向長さYに対する縦方向長さXの比は6以上であり、且つ、実際の薄膜磁気ヘッドとは磁気シールドの縦横比が異なることを特徴とする。
【0010】
本願発明者らが評価素子の磁気シールドの縦横比について鋭意検討した結果、磁気シールドの縦横比を上述の如く設定すれば、この評価素子における磁気抵抗効果素子の抵抗が、測定磁場の変化に対して容易に変化するようになることが判明した。このように、小さな磁場変化を用いて評価素子を検査することにより、これと同時に形成された薄膜磁気ヘッドの特性を間接的に検査することができる。
【0011】
また、評価素子の磁気シールドの縦横比が大きすぎると、薄膜磁気ヘッドの1ウエハ当たりの収率が低下することから、上記比は100以下に設定されることが望ましい。
【0012】
すなわち、本発明に係る薄膜磁気ヘッドウエハは、上記薄膜磁気ヘッド用評価素子と同時に形成され、磁気シールドの縦横比が薄膜磁気ヘッド用評価素子の磁気シールドと異なる薄膜磁気ヘッドが複数形成されてなる。
【0013】
実際の薄膜磁気ヘッドは評価素子ではないのであるから、評価素子とは縦横比が異なるということになる。薄膜磁気ヘッドの縦横比は特性評価の観点からではなく、本来の機能に併せて最適化される。例えば、薄膜磁気ヘッドの縦横比は1とする。
【0014】
また、薄膜磁気ヘッドバーは、上記薄膜磁気ヘッドウエハを切断・加工して、薄膜磁気ヘッド用評価素子の磁気シールドの横方向長さYに対する縦方向長さXの比を3以上10未満としたことを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【0016】
図1は薄膜磁気ヘッド用評価素子Dと薄膜磁気ヘッドRとが形成された薄膜磁気ヘッド集合体の斜視図である。この薄膜磁気ヘッド集合体はウエハであり、このウエハを切断することで、薄膜磁気ヘッドバーが形成され、さらに、これを切断することで、最終的に個々の薄膜磁気ヘッドRが分離され、その後、磁気記録媒体と組み合わせることでハードディスク装置等の磁気記録装置が完成する。
【0017】
磁気記録媒体の法線方向をX軸とする。X軸に垂直な2軸をY軸及びZ軸とする。最終的な磁気記憶装置の完成時において、磁気記録媒体に対向する面を媒体対向面(エアベアリング)ABSとする。
【0018】
ウエハ状態の薄膜磁気ヘッド集合体においては、薄膜磁気ヘッド用評価素子Dは、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子TMRDと、磁気抵抗効果素子TMRDを厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドUD,LDとを備えている。下部の磁気シールドLDの方が上部の磁気シールドUDよりも大きい。磁気シールドUD,LDの形状は同様なので、ここでは一方の磁気シールドLDについてのみ説明するが、以下の説明は他方の磁気シールドUDにも適合する。
【0019】
磁気シールドLDの厚み方向(Z軸)に垂直な直交2軸をそれぞれ縦軸(X軸)及び横軸(Y軸)とする。磁気シールドLDの横方向長さYDに対する縦方向長さXDの比(XD/YD)は6以上である。
【0020】
磁気シールドLDの縦横比を上述の如く設定すれば、評価素子Dにおける磁気抵抗効果素子TMRDの磁気抵抗が、測定磁場の変化に対して容易に変化する。評価素子Dの磁気抵抗は、各磁気シールドUD,LD間に供給される電流(センス電流)を一定としつつ、各磁気シールドUD,LDに電気的に接続されたリード配線UD1,LD1間の電圧を検出することで、オームの法則に従って測定される。また、電圧を一定としてUD、LD間を流れる電流を検出しても良い。
【0021】
TMR素子に用いられる磁気抵抗効果素子(TMR膜)TMRDは、例えば、下地層/ピン止め層/下部強磁性層/絶縁層(トンネルバリア層)/上部強磁性層のような多層構造からなる積層膜からなる。ここで、ピン止め層は下部強磁性層の磁化の方向を磁気記録媒体からの磁場方向に固定するためのものである。この場合、下部強磁性層をピンド層と呼び、外部磁場に対し磁化の向きが変化する上部強磁性層をフリー層と呼ぶ。
【0022】
絶縁層の厚みは、当該強磁性層間で電子が、そのスピンを保持しながらトンネルできるほど十分に薄く設定される。フリー層とピンド層は絶縁層を挟んで対向しており、一方から他方の層に抜ける電子の割合は、お互いの磁化の向きの相対角度によって決定される。
【0023】
すなわち、このTMR膜に上下の磁気シールドUD,LDから電流を流した場合、絶縁膜を挟んだ強磁性層間を流れるトンネル電流は、上記相対角度に依存して変化する。この現象を強磁性トンネル効果と呼び、TMR膜の抵抗は、スピンバルブ膜と同様に両磁性層の磁化の向きが平行のとき最小、反平行のとき最大となる。
【0024】
評価素子Dをウエハ集積工程で形成する際には、評価素子Dは薄膜磁気ヘッドRと全く同じ集積工程を経て形成する。つまり、CPP構造のヘッドを集積するウエハWでは、評価素子Dを薄膜磁気ヘッドRと同様にCPP構造とし、かつ下地からの膜構成を基本的に同様とする。すなわち、評価素子DはTMR素子であり、同様に、薄膜磁気ヘッドRもTMR素子である。
【0025】
評価素子Dにおいて、例えば、配線用に下部シールド材料と磁気抵抗効果膜の間にリードを新たに形成した場合、測定される電磁気的特性は薄膜磁気ヘッドRの特性を模擬しているのではなく、下部シールド/リード間に成膜された磁気抵抗効果膜の特性を見ていることになる。つまり、CPP構造に使用される磁気抵抗効果素子は、成長前の下地の影響を受けて特性が変化してしまうことに由来する。
【0026】
薄膜磁気ヘッドRの磁気抵抗は、ダミーとしての評価素子Dの磁気抵抗変化と同じように変化する。すなわち、薄膜磁気ヘッドRの積層構造は評価素子Dの積層構造と同一であり、測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子TMRRと、磁気抵抗効果素子TMRRを厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドUR,LRとを備えている。
【0027】
下部の磁気シールドLRの方が上部の磁気シールドURよりも大きく、磁気シールドLRの横方向長さYRに対する縦方向長さXRの比(XR/YR)は例えば1である。なお、薄膜磁気ヘッドRの磁気シールドUR,LRにもリード配線UR1,LR1が電気的に接続されており、配線間電圧が測定可能となっており、この電圧は素子が実際の磁気記憶装置に組み込まれた場合にデータ読出に用いられる。
【0028】
上述のように、磁気シールドLDの縦横比を6以上に設定し、小さな強度変化が行われる磁場中に評価素子Dを配置して、その特性を検査することにより、これと同時に形成された薄膜磁気ヘッドRの特性を間接的に検査することができる。
【0029】
図2は上記薄膜磁気ヘッド集合体としてのウエハWの斜視図である。このウエハWからは、複数の薄膜磁気ヘッドバーBが切断によって切り取られる。薄膜磁気ヘッドバーBの切り取り後に媒体対向面ABSとなる面に機械研磨等の加工が施される。
【0030】
すなわち、薄膜磁気ヘッドバーBは、薄膜磁気ヘッドウエハWをY方向に沿って切断・加工して、磁気シールドLDの横方向長さYに対する縦方向長さXの比を3以上10未満とするが、そもそも、この比は1よりも大きいので、その後の検査においても、薄膜磁気ヘッドRよりも有効に磁気抵抗検出を行うことができる。
【0031】
各薄膜磁気ヘッドバーBも複数の薄膜磁気ヘッドRを有しており、薄膜磁気ヘッド集合体を構成している。同図中には7個の薄膜磁気ヘッドRに対して1個の評価素子Dを備えた薄膜磁気ヘッドバーを示すが、実際には数十〜数百個の薄膜磁気ヘッドRが単一の薄膜磁気ヘッドバーB内に含まれる。評価素子Dは薄膜磁気ヘッドバーBの略中央に位置するが、これは薄膜磁気ヘッドバーBの両端や等分割位置等にも配置することもできる。
【0032】
以上、説明したように、本実施形態に係る薄膜磁気ヘッドウエハWは、薄膜磁気ヘッド用評価素子Dと同時に形成され、縦横比が薄膜磁気ヘッド用評価素子と異なる薄膜磁気ヘッドRが複数形成されてなる。実際の薄膜磁気ヘッドRは評価素子ではないのであるから、評価素子Dとは縦横比が異なる。薄膜磁気ヘッドRの縦横比は特性評価の観点からではなく、本来の機能に併せて最適化され、本例の場合、縦横比は例えば1に設定される。
【0033】
図3は測定磁場(Oe)と実施例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。このグラフにおける縦横比は6である。測定磁場を僅か(±100(Oe)以内)に変化させただけで、MR変化率は25%変化している。
【0034】
図4は測定磁場(Oe)と別の実施例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。このグラフにおける縦横比は10である。測定磁場を僅か(±10(Oe)以内)に変化させただけで、MR変化率は25%変化している。換言すれば、評価素子Dの反磁界係数は略ゼロとなっている。
【0035】
図5は測定磁場(Oe)と比較例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。このグラフにおける磁気シールドの縦横比は1である。磁気シールドのヒステリシスによって、測定磁場を大きく(±1200(Oe)以上)変化させなければ、MR変化率は変化しない。もちろん、測定磁場が0(Oe)に近傍で交流磁場を与えてもMR変化率は殆ど変化しない。
【0036】
以上のグラフから明らかなように、比較例に係る評価素子D(実素子)においては、測定磁場に対して下部磁気シールド、上部磁気シールドが反磁界を発生し、内部の磁気抵抗効果素子TMRDにかかる磁場をキャンセルさせて実効的にゼロにしてしまう磁場領域が存在する(磁気シールド効果)。
【0037】
このため、測定磁場が磁気シールドの飽和磁場を超えないうちは内部に磁場が入らず、磁気抵抗効果素子TMRDのピンド層とフリー層内の磁界の平行・反平行状態が不安定になる。結局、約±1200(Oe)の磁場領域では、MR変化率の磁場依存性が乱れ、正確なMR変化率を求めることができない。
【0038】
また、比較例の素子では磁気シールド効果のため、ヘッド特性として特に重要なゼロ磁場付近の応答が測定できないという不具合が生じている。実施例では、測定磁場方向に対して、評価素子Dの上下の磁気シールドの縦横比を大きくしているので、上下の磁気シールドの長手方向に生じる反磁界の素子に対する影響が抑制され、磁気抵抗効果膜の磁気特性を精密に評価することができる。
【0039】
以上、説明したように、実施形態に係る評価素子Dによれば、小さな磁場変化で磁気抵抗を変化させることが可能となる。また、縦横比が大きすぎると、薄膜磁気ヘッドの1ウエハ当たりの収率が低下することから、上記縦横比は100以下に設定されることが望ましい。
【0040】
なお、上述の評価素子Dのパターンは、ウエハW上にある周期(例えばステッパ−の1ショット単位)で配置することができ、このパターンの抵抗値をゼロ磁場中、もしくは、直流や交流磁場で測定することにより、ウエハW上の全素子の評価を行うことなく、ウエハW面内における薄膜磁気ヘッドRの特性分布を評価することができる。また、このような電磁気的な特性をウエハWの製造時に把握することにより、薄膜磁気ヘッドRの良否判定、製品管理を行うことができる。
【0041】
なお、CPP構造のTMR素子としては様々なものが考えられるが、上記実施例に用いられた一例について説明しておく。
【0042】
本例のTMR素子は、AlTiCからなる基板上に下地層/ピン止め層/下部強磁性層/絶縁層(トンネルバリア層)/上部強磁性層/保護層を順次積層してなる。
【0043】
すなわち、下地層:「Ta(5nm)/NiFe(2nm)」、ピン止め層:「PtMn(15nm)」、下部強磁性層(ピンド層):「CoFe(2nm)、Ru(0.8nm)、CoFe(3nm)」、絶縁層(トンネルバリア層):「Al23(0.75nm)」、上部強磁性層(フリー層):「CoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)」、保護層:「Ta(10nm)」である。
【0044】
なお、上述の薄膜磁気ヘッドR及び評価素子Dとして、磁気シールドを有するものであれば、CCP構造のGMR素子にも適用することができる。
【0045】
【発明の効果】
本発明の薄膜磁気ヘッド用評価素子、薄膜磁気ヘッドウエハ及び薄膜磁気ヘッドバーによれば、小さな磁場変化で磁気抵抗を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】薄膜磁気ヘッド用評価素子Dと薄膜磁気ヘッドRとが形成された薄膜磁気ヘッド集合体の斜視図である。
【図2】薄膜磁気ヘッド集合体としてのウエハWの斜視図である。
【図3】測定磁場(Oe)と実施例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。
【図4】測定磁場(Oe)と別の実施例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。
【図5】測定磁場(Oe)と比較例に係る評価素子DにおけるMR(磁気抵抗)変化率(%)の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
B…薄膜磁気ヘッドバー、D…薄膜磁気ヘッド用評価素子、R…薄膜磁気ヘッド(実素子)、TMRD,TMRR…磁気抵抗効果素子、UD,LD,UR,LR…磁気シールド、UD1,LD1,UR1,LR1…リード配線、W…ウエハ。

Claims (4)

  1. 測定磁場に応じて磁気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子を厚み方向に挟むように配置された一対の磁気シールドとを備えた薄膜磁気ヘッド用評価素子において、前記磁気シールドの前記厚み方向に垂直な直交2軸をそれぞれ縦軸及び横軸とした場合、媒体対向面は前記横軸に沿って構成され、前記磁気シールドの横方向長さYに対する縦方向長さXの比は6以上であり、且つ、実際の薄膜磁気ヘッドとは磁気シールドの縦横比が異なることを特徴とする薄膜磁気ヘッド用評価素子。
  2. 前記比は100以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜磁気ヘッド用評価素子。
  3. 請求項1に記載の薄膜磁気ヘッド用評価素子と同時に形成され、磁気シールドの縦横比が前記薄膜磁気ヘッド用評価素子の前記磁気シールドとは異なる前記薄膜磁気ヘッドが複数形成されてなる薄膜磁気ヘッドウエハ。
  4. 請求項3に記載の薄膜磁気ヘッドウエハを切断・加工して、前記薄膜磁気ヘッド用評価素子の前記磁気シールドの横方向長さYに対する縦方向長さXの比を3以上10未満としたことを特徴とする薄膜磁気ヘッドバー。
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