JPH117612A - 能動素子型磁気読み取りヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部記憶装置（特にハードディスクドライ
ブ）の高記録密度化の要求に対応するため、高性能読み
取りヘッドを提供する。 【解決手段】 基板上に60原子％以上かつ90原子％未満
の鉄あるいはコバルトの1種類あるいは2種類からなる強
磁性元素を含み、その磁歪定数が10-7〜10-5である軟磁
性アモルファス合金薄膜に、駆動周波数が100kHz以上の
高周波を用い、かつ駆動高周波振幅の0.3〜0.7倍の振幅
を持つ直流バイアスを重畳することにより、磁場による
インピーダンス変化を生ずる能動型の電磁変換素子を磁
気読み取りヘッドの電磁変換素子として搭載した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンピュータの外
部記憶装置の磁気ヘッドに関するものであり、特に磁気
ヘッドの読み取り部に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータの外部記憶装置（特
にハードディスクドライブ）の高記憶密度化は、極めて
顕著である。それに伴い磁気ヘッド、特に読み取りヘッ
ドの高感度化への要望は極めて強い。ハードディスクは
スピンドルモータによって回転され、磁気ヘッド（スラ
イダ部）は、それと記録媒体面上との間で形成されるエ
アーギャップによる浮力とジンバル部のバネ圧との力学
的な釣り合いにより、記録媒体面上の所定の高さ（フラ
イングハイト）を保持できるよう機構的な設計がなされ
ているのが常である。

【０００３】従来のM I G（Metal In Gap ）方式と呼
ばれる読み取りヘッドは、空隙を有した環状軟磁性体に
コイルを鎖交したものを用い、磁気記録媒体面から生じ
る磁束が空隙を介し環状軟磁性体を貫くことにより、そ
れと鎖交するコイルの両端部で発生する誘導起電圧をヘ
ッドの読み取り信号として利用している。ここで、磁気
記録媒体中の残留磁化と磁気記録媒体面上の所定の位置
で形成される磁場の強さは予め判明しており、この誘導
起電圧の波形（極性やピーク位置）を測定することによ
り、磁気記録媒体中の残留磁化の状態（向きや残留磁化
の間隔）、即ち、蓄えられた記録情報を読み取りができ
る。

【０００４】しかしながら、M I G方式では、フライン
グハイトの存在による分離損失に加え、読み取りヘッド
部の空隙の存在のためギャップ損失が発生し、高いS／N
比を実現することは困難である。また幾何学的にも書き
込みヘッドと読み取りヘッドを共用するしか現時点では
手段がなく、読み書きの両者の周波数を同時に高めるこ
とは困難である。

【０００５】そこで最近では、MR（磁気抵抗）素子と呼
ばれる、鉄ニッケル合金に代表される合金薄膜を読み取
りヘッドの電磁変換素子として用いたヘッドが主流にな
りつつある。これは鉄ニッケル合金薄膜に外部磁場を印
加すると、磁性膜内の電気抵抗が増加する、との物理的
な現象に立脚したものである。しかしながら、MR（磁気
抵抗）素子を用いたヘッドでは感度（単位磁場の強さあ
たりの磁気抵抗変化率）が約0.1％／Gauss と比較的に
低く、今後、益々増加するであろう高記録密度化の要求
を考えると十分ではない。

【０００６】そこでより感度を高めた電磁変換素子を実
現を目指し、GMR（巨大磁気抵抗）素子と呼ばれる複数
の磁性層から成る多層膜の研究・開発が盛んに進められ
ているのが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする問題点】今、記録密度はトラ
ック１本あたりの線記録密度と径方向の単位線分あたり
のトラック密度の積として定義されることを想起すれ
ば、線記録密度の向上は記録密度を高めることに繋がる
ことを意味する。線記録密度を高めることは磁気記録媒
体のモーメント積（即ち、磁気記録媒体中の記録層の残
留磁束密度と磁性層の厚みとの積）を小さくすることが
有効であることが一般に知られており、事実、記録密度
の向上と共に磁気記録媒体のモーメント積は年々、低下
の一途を辿っている。しかしながら、モーメント積の低
下は、磁気記録媒体上に形成される磁場の強度の低下を
示唆するものである。より小さい磁場信号をヘッドが読
み取ろうとすれば、ヘッドの底面と磁気記録媒体上との
間に存在する距離（フライングハイト）をより小さくす
る（分離損失の低減化）か、あるいはヘッドの感度の向
上、即ちヘッドの単位磁場あたりの起電力あるいはその
抵抗変化を増大させるか、のいずれかの手段が有効と思
われる。しかしながら、ここで前者による方法では、通
常、数nm〜数十nmの磁気記録媒体の表面荒さが存在する
こととヘッドの鉛直方向成分における揺動現象の存在と
を考え併せると、10〜20nm以下のフライングハイトで
は、ヘッドの底面と磁気記録媒体上の凸部が繰り返し衝
突し、その発生熱によりヘッドの出力信号に大きな揺ら
ぎが発生し、著しくヘッドのS／N比の低下を招く（サー
マルアスペリティの問題）ので、フライングハイトを縮
めるには限界がある。

【０００８】一方、ヘッドの感度の向上に目を転じれ
ば、M I G（Metal In Gap ）方式からMR方式へと移行
しつつある。M I G（Metal In Gap ）方式では、原理
的に誘導起電圧の発生を利用しているので、磁気記録媒
体の回転ムラを反映したヘッドの出力変動が出やすい。
更にヘッドの構造上、書き込みヘッドと読み取りヘッド
とを分離した構造配置を取り難く、共通ヘッドとして実
用に供する場合が多い。このため読み取りヘッドの感度
を増加する目的でコイルのL（インダクタンス）を増加
させれば、逆に書き込み時の限界周波数の低下を招き
（スネークリミット）、両者の周波数を同時に高めるヘ
ッドの設計は困難であった。

【０００９】MR方式のヘッドは、原理的に鉄ニッケル合
金に代表される薄膜の電気抵抗の磁場依存性を利用する
ものである。MR膜はその電気抵抗に対する外部磁場の周
波数依存性が小さいことから、磁気記録媒体の回転ムラ
を反映したヘッドの出力レベルの変動は比較的に小さく
良好である。しかも書き込みヘッドと読み取りヘッドを
各々分離・独立した配置構造をとることが可能なことか
ら、書き込みと読み取りの各周波数を同時に増大した設
計が可能である。

【００１０】しかしながら、MR方式のヘッドは上述した
優れた特徴を持つものの、今後もハードディスクドライ
ブの高記録密度化が続くであろうことを考えると、その
感度が約0.1％／Gauss 程度では十分とは言えない。し
かもヘッド不良の原因の一つであるバルクハウゼンノイ
ズの発生も、MR膜中の介在物の除去ならびにMR膜の均質
化が不十分であることが多く、依然高水準にあるのが実
情と思われる。歩留りの低下は製品コストの上昇に直結
し、MRヘッドの普及を阻害する要因の一つであると言っ
ても過言ではない。

【００１１】現在、研究・開発が盛んに進められている
GMR（巨大磁気抵抗）素子にしても、確かにMRヘッドの
約10〜20倍程度の高い感度は期待されているものの、反
強磁性層、強磁性層、非磁性層および軟磁性層の極めて
薄い（一層あたり約10〜200nm程度）複数の層から構成
されることが特徴であることを考えると、製造はMRヘッ
ドのそれと比較してより困難であることが容易に推察で
きる。

【００１２】市場は感度が高くしかも安価な読み取りヘ
ッドの出現を求めていることは論を待たない。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一般的に導体に高周波電
流を通電すると、表皮効果により電流は導体の表面部に
流れ、抵抗成分Rが増大することが知られている。その
表皮の厚みをd、導体の厚みをtc、dとtcとの比をθとす
れば、数１、数２と示すことができる。

【００１４】

【数１】

【００１５】

【数２】

【００１６】ここで、ωを角周波数、μを透磁率そして
σを電気伝導度とする。上記の第1式の第2項は表皮効果
による抵抗の増加分を示し、ωに対し単調増加関数でθ
がゼロ、即ちω=0（直流）の場合は第2項はゼロとな
り、第1式の右辺は直流抵抗R0を示す。更に詳細には渦
電流損失も考慮しなければならないが、数1と同様のθ
依存性を示すことから、本行以降数1を基本に考える。
今、数1の両辺をH（磁場の強さ）で微分すると、合成関
数の微分則により、数３と書くことができる。

【００１７】

【数３】

【００１８】

【数４】

【００１９】

【数５】

【００２０】ここで、g（θ）およびθ'は各々、数４、
数５とする。今、磁性合金の磁化曲線を考える。縦軸に
磁束密度（B）、横軸に外部有効磁界（H）を取る。例え
ばNi , Fe およびCo等の3d強磁性遷移金属から構成され
る結晶性合金に微小な磁場を印加した場合、通常、それ
らの合金の磁束密度（B）は外部磁界の増加と共に緩や
かに上昇し、更に大振幅励磁するとほぼリニアに上昇し
た後、磁気飽和に達し完全にリニアとなる。ここで、μ
はB（磁束密度）と外部有効磁場（H）との比で定義され
る量であり、磁化曲線上の傾きであることを想起すれ
ば、その傾きの変化、即ち、dμ／dHは上記の結晶性合
金の場合には極めて小さくなる（μ、即ち磁化曲線上の
傾きが一定ならdμ／dHはゼロとなる）。このことは数
３において、右辺のg（θ）やθ'の値を大きくした（例
えばωを大きくする、極めて高い周波数電流を流す）場
合でも、上記の結晶性合金の場合には左辺のdR／dH（電
気抵抗成分の磁場依存性）、即ち感度を著しく高めるこ
とは難しいことを意味する。事実、MRヘッドの電磁変換
素子に使われる鉄ニッケルからなるパーマロイ膜に、高
周波電流を流しても感度（dR／dH）は高々、約1％／Oe
程度である。

【００２１】逆に、微小磁場励磁領域においてdμ／dH
の大きな3d強磁性遷移金属を含むアモルファス合金で
も、g（θ）やθ'が小さい場合（例えば、ω=0の直流の
場合はθ'がゼロ）となり、数３より抵抗の磁場依存性
は示さない。事実、Co,Fe,SiおよびBから成るアモルフ
ァス4元合金薄膜に直流のみの電流を流しても、ほとん
ど約0.5％／Oe未満の小さな電気抵抗成分の磁場依存性
しか示さない。

【００２２】本発明は、dμ／dHの大きな3d強磁性遷移
金属を含むアモルファス合金（望ましくは正の磁歪定数
の小さい合金）に、高周波電流を通電すると極めて大き
な電気抵抗の磁場依存性が得られる事実に基づいてい
る。ここで、請求項2に記載の範囲に組成を限定した理
由は、鉄あるいはコバルトの1種あるいは2種の組み合わ
せの含有率を60原子％未満の場合、透磁率が小さいため
であり、逆に90原子％以上の場合、アモルファス合金が
生成し難く、しかも透磁率の磁場依存性が小さいことに
よる。また磁歪定数を請求項2に記載の範囲とした理由
は、正の大きな値を持つ合金や逆に負の磁歪定数の合金
の場合、大きな感度を示さず、大きいヒステリシスが発
生する場合があるためである。また駆動する電流の周波
数を請求項3に記載した理由は、以上の説明から明らか
であるように本発明は主に表皮効果および渦電流を利用
するものであるからであり、直流バイアス電流の振幅を
高周波駆動振幅の0.3〜0.7倍とした理由は、最も大きな
感度が得られたためである。

【００２３】従来のMRヘッドや今後の有望な磁気ヘッド
の候補の一つであるGMRヘッドは、ナノメートルオーダ
の微細な膜厚制御や精緻な合金組織および膜組成の研究
・開発に注力してきた感があるが、その反面、歩留りが
悪く高コストの一因となっていることは否めない。本発
明では、高周波電流による表皮効果および渦電流効果を
請求項に記載される合金組成の薄膜に適応することによ
り、必ずしもナノメートルオーダの膜厚制御は必要とし
ない。しかも、電磁変換素子を材質的に均質なアモルフ
ァス合金としたことで、ヘッド不良の大きな原因の一つ
であるバルクハウゼンジャンプを抑えることが可能であ
り、高感度で安価な磁気読み取りヘッドを供給すること
ができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】M B E （Molecular Beam Epita
xy 分子線エピタキシー）装置を用い、読み取りヘッド
のS／N比を向上する目的で、シリコン基板上に約10nmの
厚みのFe - Ni 2元合金薄膜を成膜した。本膜を磁気分
離膜と称する。磁気分離膜上に感光基を有した有機高分
子材料を0.8μmの厚みで塗布した。本試料をアライナを
用い露光、現像および水洗した後、オーブンで80〜100
℃の温度で30分間処理することにより、磁気分離膜上に
所定のドライエッチング用保護膜を形成した。本軟磁性
膜の加工は、アルゴンガス雰囲気中でイオンビームドラ
イエッチングすることにより行なった。次に基板をレジ
スト（有機高分子材）除去液中に浸しすることにより、
レジストを除去し所定の形状の軟磁性膜を得た。

【００２５】電磁変換素子薄膜はM B E 装置を用い成膜
した。得られた膜は(Co0.94Fe0.06)74Si15B11の組成か
らなり、試験的には10nm〜1μmの厚みとした。膜の加工
は前述したプロセスとほぼ同様である。駆動は膜の長さ
方向に通電するので、高周波電流による励磁は電流と直
角方向にかかり、主に膜の幅方向となる。ここで、約10
0kHz以上の十分に周波数が高い磁場を印加した場合、通
常、磁壁移動よりも磁化回転機構による方法のほうがμ
は高いため、膜の幅方向が磁化困難軸となるように磁界
中にて約200〜300℃の温度範囲にて熱処理を行った。磁
歪定数は光てこ法を原理とする測定装置により行い、10
-6オーダの正の極めて小さい磁歪定数を得た。またHk
（異方性磁界）の測定はVSM（振動試料型測定機）を用
い、その値は約0.5Oe〜10Oe程度であった。

【００２６】電磁変換素子薄膜に通電するための電極作
製は、Cuをターゲットとしたスパッタ装置を用いて成膜
した後、通常の半導体プロセス技術の方法により加工し
た。ここで電極材はCuではなく、Alであっても良い。ま
た、保護膜としてSiO2等を状況に応じて成膜しても良
い。駆動およびアナログ回路は通常の高周波回路を適用
しても良い。本実施例においては、他励振型発振回路
（例えばマルチバイブレータ）を別途構成し、本電磁変
換素子を駆動した。駆動周波数は10MHzとした。ここ
で、駆動高周波振幅の約半分の振幅を持つ直流バイアス
を重畳することにより、出力の極性ならびに更なる高出
力化を図った。また、本電磁変換素子両端部の出力変化
の線形性と前述したサーマルアスペリティーの改善のた
め、本電磁変換素子を2組基板上に構成したものを準備
し、それらの2組の出力の差動をとった後、増幅するこ
とにより行った。

【００２７】書き込みヘッドは、コイルと磁束誘導のた
めの軟磁性膜および絶縁層から構成される、従来のウイ
ンチェスター型のヘッド部を別途作製したものを用い
た。読み取りヘッドとの接合は、本実施例では、前記の
読み込みヘッド基板の側面に書き込みヘッド部を接着し
た後、両ヘッドの面の位置をフライングハイトが等しく
なるようArイオンビームエッチィングにより微細加工お
よび調整を行った。

【００２８】本発明による読み取りヘッドの電磁変換素
子部の概略図を図1に示す。まず、ガラスあるいはシリ
コン基板１上に、例えばCoFeSiB４元合金からなるアモ
ルファス合金薄膜の導体２が形成され、導体２を駆動お
よび通電するための電極部４がそれと接触した構造とし
た。磁気分離膜３はアモルファス薄膜の導体２の外側に
位置し、磁気読み取りヘッドのＳ／Ｎ比を高める目的
で、CoNbZrやFeNiに代表される軟磁性材料から構成され
ている。保護膜５は、状況に応じて成膜する。

【００２９】図２は、図１に示した磁気読み取りヘッド
に、高周波電流振幅４ｍＡ、直流バイアスの振幅が２ｍ
Ａの複合駆動電流を通電および駆動した時の駆動周波数
によるアモルファス動体の１ガウスあたりの抵抗変化率
を示している。本発明において、約8％／Gaussの磁気感
度を示し、従来のMRヘッドのそれが約0.1％／Gaussであ
ることを考え併せると、その特性改善は顕著であること
が明らかである。

【００３０】

【発明の効果】本発明により、外部記憶装置（特にハー
ドディスクドライブ）における高記録密度化の達成に大
きく貢献することできる。しかも従来品の場合と比べ、
厳しい膜厚制御が必ずしも必要としないことから、その
歩留りが良好であり経済的にも優れていることを考え併
せると、その工業的な意義は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の読み込みヘッドの電磁変換素子部の概
略図。

【図2】本発明の読み込みヘッドの磁場感度特性。

【符号の説明】

1 シリコン基板 2 導体 3 磁気分離膜 4 電極 5 保護膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気記録媒体と、磁気記録媒体を支持し
   回転させるモータと、記録媒体からの磁場を電磁変換す
   ることにより、磁気記録媒体に保存された情報を読み込
   み可能な磁気ヘッドと、電磁変換された後の読み込み信
   号を処理する回路から構成されるコンピュータ外部記憶
   装置において、記録媒体からの磁場による信号を電気的
   に変換する素子が、外部高周波回路から駆動されること
   により、磁場によるインピーダンス変化を生ずることを
   特徴とする能動素子型磁気読み取りヘッド。
2. 【請求項２】 前記の電磁変換素子は、基板上に60原子
   ％以上かつ90原子％未満の鉄あるいはコバルトの1種類
   あるいは2種類からなる強磁性元素を含み、その磁歪定
   数が10^-7から10^-5である軟磁性アモルファス合金薄膜
   と、当該軟磁性アモルファス合金薄膜を駆動するための
   電極と、磁気的かつ電気的に遮蔽するための絶縁性をも
   つ層から少なくとも構成されることを特徴とする請求項
   １記載の能動素子型磁気読み取りヘッド。
3. 【請求項３】 前記の電磁変換素子において、駆動周波
   数が100kHz以上の高周波電流を用い、かつ駆動高周波振
   幅の0.3〜0.7倍の振幅を持つ直流バイアスを重畳するこ
   とにより、磁場によるインピーダンス変化を得ることを
   特徴とする請求項１記載の能動素子型磁気読み取りヘッ
   ドの駆動方法。