JP5813916B2 - 垂直磁気記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive)の高密度化のための垂直磁気記録ヘッド及びその製造方法に関するものである。

垂直記録方式によるＨＤＤの高記録密度化のためには、熱安定性の高い媒体に記録可能な高い磁界強度と、急峻なビット間の境界を形成するための高い磁界勾配が必要である。しかし、高トラック密度化に対応した磁極浮上面寸法の狭小化に伴って、上記２点を維持あるいは向上することが困難になりつつある。その理由として、一般に記録磁界の特性に最も強く影響を与える磁極の飽和磁束密度と、磁気ヘッドと記録媒体間の距離は、物理的技術的な限界に近づいており、磁極サイズに比例したスケールダウンは破綻しつつある。これは磁気記録システムにおける根本的な課題となる。

さらに、上記の限界は記録媒体に形成される磁化パターンの形状にも影響を与える。一般に記録ビットの形状はヘッド磁界の分布そのものを反映する。すなわち、磁極から等方的に散逸した磁束によって磁極形状と相似関係にある磁化パターンが記録媒体上に形成される。従って、飽和磁束密度一定の下で、ヘッド寸法、磁気ヘッドと媒体間の距離すべてが比例縮小であるならば、磁化パターン形状も比例縮小することとなる。ところが、磁気ヘッドと媒体間の距離の低減が十分ではない現状においては、磁極形状と磁界分布が相似関係から逸脱し磁化パターンにひずみが生じることとなる。

この現象の最も顕著な影響が記録遷移線の湾曲である。図１に媒体上に形成された磁化パターンの模式図を示すように、記録遷移線の湾曲の問題は従来から指摘されており、高トラック密度化のために解決しなければならない課題と言われている。その解決策として、例えば、特許文献１には、磁極端部を、磁化パターンと逆方向に湾曲させる技術が開示されている。また、特許文献２には、磁極周辺部から中心部に向かって、飽和磁束密度が小さくなるような材料で磁極を形成することが提案されている。

特許第４１１８２４６号公報 特開２００６-１９６１４２公報

上記従来技術は、磁界強度が低下するという問題を本質的に併せ持っており、磁界勾配や飽和記録性能等の基本的な特性と遷移線湾曲の低減を両立することは困難である。

本発明は、高磁界強度を発生しながら直線性の良い遷移線を形成し、かつスキューに伴う隣接トラックの記録情報劣化を抑制することができる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。

本発明に係る垂直磁気記録ヘッドは、好ましくは、主磁極のダウントラック方向の膜厚は浮上面から遠ざかるにつれて増加し、該主磁極の浮上面に露出する部分（浮上面部分）の膜厚方向の中心位置は、浮上面から後退した部分において最大の膜厚を有する部分（後退部分）の膜厚方向の中心位置に対して、トレーリング側に位置することを特徴とする垂直磁気記録ヘッドとして構成される。

また、好ましい例によれば、本発明は、該浮上面部分のダウントラック方向の膜厚は該後退部分の膜厚に比べて１/２以下に構成する。
また、好ましくは、主磁極のトレーリング側およびリーディング側に浮上面の垂直方向からダウントラック方向に傾斜した面を有し、該傾斜の角度はトレーリング側の方がリーディング側よりも大きく構成する。
また、好ましくは、主磁極は浮上面から遠ざかるに連れてトラック幅方向の長さが増加するフレア形状を有し、フレア角度θを、任意のクロストラック位置における浮上面から垂直方向の距離hとその位置におけるトラック幅方向の幅と浮上面部分の幅の差分△Twwを用いてtanθ=△Tww/２hと定義した場合、該浮上面部分よりトレーリング側に位置する部分のθ1に比べて、浮上面よりリーディング側に存在する部分のフレア角度θ２を小さく構成する。
また、好ましくは、該浮上面部分のダウントラック方向の幅は、該浮上面部分のクロストラック方向の幅に比べて大きく構成する。
また、好ましくは、該浮上面部分のダウントラック方向の幅は、該浮上面部分のクロストラック方向の幅の１/２以下である。
また、好ましくは、該主磁極のトレーリング側に配置されたトレーリングシールドと、該主磁極のクロストラック方向両側に配置されたサイドシールドを有し、該トレーリングシールドの飽和磁束密度は該サイドシールドの飽和磁束密度に比べて大きい。

本発明に係る垂直磁気記録ヘッドの製造方法は、好ましくは、垂直磁気記録ヘッドの製造方法において、（a）ウェハ上に製膜された無機物絶縁膜上に、マスクを形成するステップと、（b）該マスクを用いて、該無機絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成するステップであって、エッチング角度やマスク厚さによって、傾斜面の角度を制御して、エッチング深さを全体の膜厚の１／２以上に形成し、（c）該マスクを除去した後、磁極となる主磁極磁性膜をスパッタリング法により形成するステップと、（d）その上に主磁極形状のフォトマスクを形成してエッチングするステップと、（e）表面を平坦化した後、浮上面から後退した位置に形成したマスクを用いて、トレーリング側のテーパー部分を形成するステップであって、エッチング角度やマスク厚さによって、傾斜面の角度を制御し、エッチング深さを制御するステップと、（f）浮上面となるようにラッピング加工するステップと、を行うことを特徴とする垂直磁気記録ヘッドの製造方法、と構成される。

本発明によれば、ヘッド磁界強度およびヘッド磁界勾配を損なうことなく、ヘッド磁界分布の直線性を向上することが可能となり、高トラック密度及び高線記録密度を実現することができる。

垂直記録磁気における記録遷移線の模式図。 実施例１における、（a）垂直磁気記録ヘッドの断面図、（ｂ）磁気ヘッドの主磁極部分の拡大模式図。 実施例１における磁気ヘッドのヘッド磁界分布を示す図。 実施例１における磁気ヘッドの中心線Ａおよび中心線Ｂの相対的位置関係とヘッド磁界湾曲の関係を示す図。 実施例２における、（a）磁気ヘッドの構成、（ｂ）浮上面主磁極膜厚(ｔＭＰＡ)と後退部分膜厚(ｔＭＰＢ)の比率と遷移線湾曲の関係、及び（ｃ）磁界強度の関係を示す図。 実施例３における、（a）磁気ヘッドの構成、及び（ｂ）磁気ヘッドのトレーリング側テーパー角度（θ_T）およびリーディング側テーパー角度（θ_L）がヘッド磁界湾曲に与える影響を示す図。 実施例４における、（a）磁気ヘッドの構成、及び（ｂ）フレア角度の様子を示す図。 実施例５における、（a）磁気ヘッドの構成、及び（ｂ）磁気ヘッドの浮上面における主磁極のトラック幅（ＰＷ）と膜厚(ｔＭＰＡ)がヘッド磁界湾曲に与える影響を示す図。 実施例６におけるシールドの飽和磁束密度とヘッド磁界湾曲の関係を示す図。 実施例６における望ましいシールド形態を示す模式図。 実施例７における磁気ヘッドの製造工程を示す図。 実施例７における磁気ヘッドの製造工程を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施例について具体的に説明する。

図２(a)は、トラック中心における垂直磁気記録ヘッド（以下、単に磁気ヘッドという）の断面図である。この磁気ヘッドは、主磁極１１を備えた記録ヘッド１０と、再生素子２１を備えた再生ヘッド２０を有する記録再生複合ヘッドである。再生ヘッド２０にはＣＩＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子などが用いられ、リーディング側の下部シールド２２とトレーリング側の上部シールド２３からなる一対の磁気シールド間に配置されている。

書き込み機能部は、磁気ディスクに書き込みを行う主磁極１１、主磁極のトレーリング側とクロストラック方向側面に所定の間隔だけ離れた位置にあるシールド部１３、磁気ディスクからの磁束を返す副磁極１２、主磁極と副磁極を磁気的に接続するバックギャップ部１４、主磁極と副磁極とバックギャップ部の間にあるコイル１５を有して構成される。

図２（b）は、図２（a）に示す磁気ヘッドの書き込み機能部の主磁極１１部分の拡大模式図である。ここで、主磁極において浮上面に露出する部分（以下、主磁極浮上面部分という）の膜厚(ｔＭＰＡ)は浮上面から後退した部分（以下、主磁極後退部分という）の膜厚(ｔＭＰＢ)に比べて小さい。ここで、対象とする主磁極後退部分とは、その存在が浮上面における磁界強度に影響を与える範囲内（例えば、浮上面から浮上高さ方向に５００nｍ程度の距離）にあることを意味する。本発明は、主磁極浮上面部分のダウントラック方向の中心位置（中心線Ａ）を、ダウントラック方向の中心位置（中心線Ｂ）に対してトレーリング側に位置するように構成した。

以下、本実施例の磁気ヘッドの特徴について説明する。記録媒体に形成される磁化パターンの形状は、媒体上に印加されるヘッド磁界によって決定される。従って、磁界分布形状の直線性を評価することで、記録パターンの直線性を予想することができる。
例えば、有限要素法磁界計算で求めた磁界分布を基に説明する。計算に用いた記録ヘッドは、主磁極のクロストラック方向の長さ（以下主磁極幅）は６０nｍ、同ダウントラック方向の長さ(主磁極厚さ)は１２０nｍである。

図３は磁界計算で求めたヘッド磁界分布の等高線を示す（図３（a）は従来技術による磁気ヘッド、図３（ｂ）は本発明による磁気ヘッド）。ヘッド磁界は最大磁界で規格化して示す。図から明らかなように、本実施例の磁気ヘッドにおいて、磁界はトレーリング部分に集中し、磁界強度の重心は、従来構造に比べてトレーリング側に位置することが分かる。これは、浮上面露出部分がトレーリング側に位置することで、リーディング側に供給される余剰磁束が低減された結果である。ここで、磁界分布の直線性を評価する指標として、最大磁界強度の８０％の磁界強度に相当する等高線を記録遷移線と仮定し、この曲線のトラック幅方向の最大広がり幅(Ｗ)とダウントラック方向のシフト量(Ｌ)を用いて、遷移線湾曲をＣ=Ｌ／Ｗと定義する。このＣと主磁極浮上面部分のダウントラック方向の位置関係を、図４に示す。ここで、ダウントラック方向の位置は、主磁極後退部分のリーディング側端部を原点とし、ｔＭＰＢで規格化したダウントラック方向の位置で表す。浮上面中心位置がトレーリング側に近づくに連れてＣは低減し、とくに０.５以上のときに効果が大きい。従って、この領域では記録パターンの直線性を効果的に改善することが可能である。

本発明の課題である、強磁界を発生しながら遷移線湾曲を低減するためには、主磁極浮上面の膜厚(ｔＭＰＡ)を低減することが効果的である。しかし、膜厚を単純に低減した場合、浮上面に露出する磁化量の低減によって磁界強度化低下する。本実施例による磁気ヘッドは、磁界強度を低減することなく磁極先端の膜厚を低減し、遷移線の直線性を向上させることを可能とするものである。

図５（a）は本実施例による磁気ヘッドの構成を示す。主磁極の膜厚は、浮上面から離れるにつれて増大する。このとき主磁極浮上面部分は、前述したように主磁極後退部分に比べてトレーリング側に位置する。図５（b）はヘッド磁界シミュレーションによって求めた、ｔＭＰＡとｔＭＰＢの比率と遷移線湾曲Ｃの関係を示す。計算に用いたヘッド寸法の主磁極幅は６０nm、主磁極厚さは１２０nmである。浮上面の膜厚低減とともに湾曲は低減し、特に０.５以下で顕著な効果がある。

本実施例によれば、一定の範囲で浮上面部分の膜厚低減とともに最大磁界強度が向上する。図５（c）にシミュレーションによって求めたｔＭＰＡとｔＭＰＢの比率と磁界強度の関係を示す。なお、計算条件は上述した湾曲の場合と同等である。ｔＭＰＡ=ｔＭＰＢを起点として、ｔＭＰＡの低下とともに磁界強度は増大する。これは、磁気ヘッドの主磁極形状が、浮上面に向かって磁束が集中する形状を有しているためである。このように、本実施例による磁気ヘッドは高磁界を発生しつつ遷移線の湾曲を低減することが可能である。一方、ｔＭＰＡ／ｔＭＰＢが０．２以下では磁界強度は、従来構造（ｔＭＰＡ／ｔＭＰＢ＝１）に比べて減少する。現状一般的に用いられる磁極の厚さは１００〜２００ｎｍであるため、実用上は１０ｎｍ程度がｔＭＰＡの下限である。

本実施例による磁気ヘッドは、図６（a）に示すように、主磁極リーディング側に位置する浮上面垂直方向からダウントラック方向に傾斜した面（テーパー面１）が浮上面となす角度θ_Lを、主磁極トレーリング側に位置する浮上面垂直方向からダウントラック方向に傾斜した面（テーパー面２）が浮上面となす角θ_Tに比べて大きくすることで、顕著な効果を奏する。
図６（ｂ）はヘッド磁界シミュレーションによって求めたθ_L/θ_Tと遷移線湾曲の関係を示す。計算に用いたヘッド寸法の主磁極幅は６０nm、主磁極厚さは１２０nmである。θ_L/θ_Tの増加ともに、湾曲は低減する。この理由は、テーパー面２から供給される磁束量は、テーパー角度減少とともに増加する。従ってθ_L/θ_Tが増加すると、主磁極トレーリング側の磁束が増大し湾曲が改善されるのである。図から明らかなように、この効果は、θ_T<θ_Lとすることで効果的に湾曲を低減することが可能である。

本実施例による磁気ヘッドは、浮上面部分よりトレーリング側に位置する部分のフレア角度を、浮上面よりリーディング側に位置する部分のフレア角度に較べて大きくすることで、更に効果的となる。図７(a)に磁気ヘッドを示し、図７（ｂ）に、浮上面部分よりトレーリング側に位置する部分と浮上面よりリーディング側に位置する部分の断面Ａ、Ｂを示す。ここで、断面Ａ、Ｂにおけるフレア角度θ1とθ2をθ1>θ2とすることで、効果はさらに向上する。

即ち、主磁極は浮上面から遠ざかるに連れてトラック幅方向の長さが増加するフレア形状を有し、フレア角度θを、任意のクロストラック位置における浮上面から垂直方向の距離hとその位置におけるトラック幅方向の幅と浮上面部分の幅の差分△Twwを用いてtanθ=△Tww/２hと定義した場合、浮上面部分よりトレーリング側に位置する部分のθ1に比べて、浮上面よりリーディング側に存在する部分のフレア角度θ２を小さく構成する。
一般的にフレア形状によるクロストラック方向の磁束の絞り込み効果は、５０°程度まではフレア角度が大きいほど増加する。従ってトレーリング側に位置する主磁極部分のフレア角度を、リーディング側のそれより大きくすることで、トレーリング部分に選択的に磁束を集中することが可能となり、本発明による記録磁界の湾曲を低減する効果は一層大きくなる。

本実施例による磁気ヘッドは、浮上面における主磁極のダウントラック方向の膜厚が、磁極幅すなわちクロストラック方向の長さに比べ小さくすることで、さらに顕著な効果を奏する。図８（ａ）は望ましい形態の、浮上面部分の模式図を示す。ここで主磁極浮上面部分のダウントラック方向の膜厚はｔＭＰＡ、磁極幅をＰＷと呼ぶ。
図８（ｂ）はヘッド磁界シミュレーションによって求めた、湾曲とＰＷ/ｔＭＰＡの関係を示す。ここではＰＷは６０nmとして、主磁極厚さを３０〜２４０nmと変化させた。図から明らかなように、ＰＷ/ｔＭＰＡ低下とともに遷移線湾曲は低減する。これによって記録遷移線の直線性向上が可能である。また、ＰＷ/ｔＭＰＡ > １となると、その効果がより大きい。

図９（a）は本実施例による磁気ヘッドのシールド構造を示す。この例による磁気ヘッドは、主磁極トレーリング側に位置するトレーリングシールドと主磁極クロストラック方向両側に位置するサイドシールドを有する。本例は、トレーリングシールドの飽和磁束密度を、サイドシールドの飽和磁束密度に比べて大きいことが特徴である。ここで、トレーリングシールドには例えばＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの飽和磁化の大きな磁性体（１.６〜２.４Ｔ）が用いられ、サイドシールドには例えばＮｉ_８０Ｆe_２０,Ｎｉ_４５Ｆｅ_５５などの比較的飽和磁化の小さい磁性体（１.０〜１.５T）が用いられる。

図９（ｂ）に磁界シミュレーションによって求めた、シールドの飽和磁束密度分布と湾曲の関係を示す。トレーリングシールド部分の飽和磁束密度をサイドシールド部分より大きくしたとき湾曲が最も小さい。この効果は、実施例１〜５による磁気ヘッドの構成と組み合わせることで効果的に発揮される。その理由は、磁極から生じる磁束がトレーリング側に集中することで、より一層高磁束密度シールドの効果が発揮されるためである。

図１０に実施例６の幾つかの変形例を示す。高磁束密度シールドの効果は、例えばトレーリングシールドとサイドシールドが磁気的に接続されていなくても有効である(図１０（a）)。この例によれば、製造工程においてサイドシールドとトレーリングシールドを形成する際に、平坦化処理などを行うことが可能になり、形状制御の高精度化に有利である。また、サイドシールドを主磁極よりリーディング側まで配置する構成（図１０（ｂ））、或いはリーディング側にシールドを付与する構成としてもよい（図１０（ｃ）。これらの構成によって、リーディング側のテーパー部分からの漏洩磁束を更に低減することが可能であり、更なる湾曲低減効果及び隣接トラック消去抑制を期待できる。

図１１〜図１２を参照して、本実施例による磁気ヘッドの製造方法について説明する。各図はトラック中心部の断面図を示す。
まず、ウェハ３０上に製膜された無機物絶縁膜３１の上に、フォトレジストなどからなるマスク３２を形成する(図１１（a）)。ここで、無機絶縁膜には、アルミナ、ＳｉＯ２，ＮｉＣｒなどを用いることができる。次に、マスク３２を用いて、無機絶縁膜をエッチングして傾斜面を形成する(図１１（ｂ）)。エッチングにはＡｒイオンミリングや塩素系ガスを用いたＲＩＥあるいはＡｒ＋ＣＨＦ３などのフッ素系混合ガスを用いた反応性イオンミリングを利用することができる。このとき、エッチング角度やマスク厚さによって、傾斜面の角度を制御する。また、エッチング深さを全体の膜厚の１／２以上とすることで、実施例１に述べたような形状を実現することが可能である。

次に、マスク３２を除去した後、磁極となる主磁極磁性膜３３をスパッタリング法で形成する（図１１（ｃ））。またはマスクを除去した後に、Ｔａなどの電極膜をスパッタリングで形成し、その後にめっき法によって磁性膜を製膜しても良い。さらに、その上に主磁極形状のフォトマスク３４を形成してＡｒイオンミリングによってエッチングする（図１１（ｄ））。次に、所定の膜厚の非磁性サイドギャップ膜３５を製膜する。さらにサイドシールドとなるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の磁性元素で構成されるサイドシールド磁性膜３６を形成する（図１１（e））。

その後、ＣＭＰ(Chemical mechanical polishing)などを用いて表面を平坦化する(図１２（ｆ）)。この後、浮上面から後退した位置に形成したマスク３７を用いて、トレーリング側のテーパー部分を形成する(図１２（ｇ）)。このとき、エッチング角度やマスク厚さによって、傾斜面の角度を制御する。これを前述したリーディング側のテーパー角度よりも緩やかにすることで、実施例３に述べたような形状を実検することが可能となる。またこのときのエッチング深さを制御することによっても、実施例１に述べたような形状を実現することが可能である。ここで、マスク３７にはフォトレジストやこれをＲＩＥで転写したハードマスク（ＳｉＯ２，ＤＬＣ(Diamond Like Carbon))などを用いることができる。

次に所定の膜厚のアルミナ、Ｔａ，ＮｉＣｒなどで構成される非磁性膜３８を製膜する。そしてめっきフレームとなるフォトマスク３９を形成した後、ＲｕやＴａ等の電極膜を製膜してその上にトレーリングシールドとなるＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ等の磁性元素で構成される磁性膜４０を形成する（図１２（ｈ））。このとき、トレーリングシールドとサイドシールドを構成する磁性膜の組成を選択して用いる。例えばトレーリングシールドにはＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＮｉなどの飽和磁化の大きな磁性体（１．６〜２．４Ｔ）を用い、サイドシールドにはＮｉ８０Ｆｅ２０，Ｎｉ４５Ｆｅ５５などの比較的飽和磁化の小さい磁性体（１．０〜１．５Ｔ）を用いることなどができる。最後に、図１２（ｈ）の破線４１に示す位置を浮上面となるようにラッピング加工を行う(図１２（i）)。

１０：記録ヘッド １１：主磁極 １２：補助磁極 １３：シールド １４：バックギャップ
１５：コイル １６：ヨーク ２０：再生ヘッド ２１：再生素子 ２２：下部シールド
２３：上部シールド ３０：ウェハ ３１：無機絶縁膜 ３２：マスク ３３：主磁極磁性膜
３４：マスク ３５：非磁性サイドギャップ膜 ３６：サイドシールド磁性膜 ３７：マスク
３８：非磁性膜 ３９：マスク ４０：磁性膜 ４１：浮上面位置。

Claims (2)

1. 主磁極のダウントラック方向の膜厚は浮上面から遠ざかるにつれて増加し、該主磁極の浮上面に露出する部分（浮上面部分）の膜厚方向の中心位置は、浮上面から後退した部分において最大の膜厚を有する部分（後退部分）の膜厚方向の中心位置に対して、トレーリング側に位置し、
   主磁極のトレーリング側およびリーディング側に浮上面の垂直方向からダウントラック方向に傾斜した面を有し、該傾斜の角度はトレーリング側の方がリーディング側よりも小さく構成することを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。
2. 請求項１に記載の垂直磁気記録ヘッドにおいて、該浮上面部分のダウントラック方向の幅は、該浮上面部分のクロストラック方向の幅に比べて小さく構成することを特徴とする垂直磁気記録ヘッド。

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