JPWO2004051762A1 - 電磁変換素子およびcpp構造磁気抵抗効果素子 - Google Patents

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Abstract

電磁変換素子では、電磁変換膜(47)と、この電磁変換膜(47)に接続される導体(44、51、52、54)とを備える。導体(44、51、52、54)は電磁変換膜(47)に供給される電流の流通路を形成する。電磁変換膜(47)は導体(44、51)に挟み込まれる。電子冷却素子(56)は導体(44、51)に組み込まれる。例えば導体(44)は、電子冷却素子(56)で第1導体片(44a)と第2導体片(44b)とに完全に分断される。電子冷却素子(56)には確実に電流は流されることができる。電磁変換素子では比較的に簡単な構造で電磁変換膜(47)の温度上昇は抑えられることができる。

Description

本発明は、電磁変換膜と、電磁変換膜を挟み込み、電磁変換膜に供給される電流の流通路を形成する1対の導体とを備える電磁変換素子およびCPP構造磁気抵抗効果素子に関する。
ハードディスク駆動装置(HDD)といった磁気ディスク駆動装置の技術分野では、電子冷却素子すなわちペルチェ素子を組み込んだ磁気ヘッドは広く知られる。ペルチェ素子の冷却効果によれば、磁気ヘッドでは電磁変換膜の温度上昇は抑えられることができる。電磁変換膜に流れるセンス電流の電流値は高められることができる。センス電流の電流値が増大すれば、磁気ヘッドでは記録媒体から漏れ出る信号磁界に対して十分な感度は確保されることができる。
周知の通り、ペルチェ素子の冷却効果を働かせる場合、ペルチェ素子には電流が供給されなければならない。磁気ヘッドにペルチェ素子を組み込むにあたって、ペルチェ素子には電流供給用の配線パターンが形成される。磁気ヘッドの構造は複雑化する。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、比較的に簡単な構造で磁気抵抗効果膜の温度上昇を抑えることができる電磁変換素子およびCPP構造磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、電磁変換膜と、電磁変換膜に接続され、電磁変換膜に供給される電流の流通路を形成する導体と、導体に組み込まれる電子冷却素子とを備えることを特徴とする電磁変換素子が提供される。
こういった電磁変換素子では電磁変換膜の電気抵抗に基づき熱が発生する。発生した熱は導体に伝達される。電子冷却素子の働きで導体では熱は吸収され放出される。導体に分散する熱は効率的に放熱されることができる。電磁変換素子では比較的に簡単な構造で電磁変換膜の温度上昇は抑えられることができる。こうした電磁変換素子では電子冷却素子にペルチェ素子が用いられればよい。
導体は、電磁変換膜に接続される第1導体片と、電子冷却素子で第1導体片から分断される第2導体片とを備えればよい。こういった電磁変換素子では、電子冷却素子は導体を第1および第2導体片に完全に分断する。電子冷却素子には確実に電流は流されることができる。電磁変換膜に供給される電流は電子冷却素子の駆動にも利用されることができる。電子冷却素子に固有の配線パターンや電源は省略されることができる。比較的に簡単な構造で電磁変換膜の温度上昇は抑えられることができる。その他、導体は例えば3つ以上の導体片に分断されてもよい。こうした場合には、隣接する導体片同士の間には電子冷却素子が挟み込まれればよい。
電磁変換膜は例えばハードディスク駆動装置(HDD)といった磁気記録媒体駆動装置に利用される磁気抵抗効果膜であってもよい。
以上のような電磁変換素子は例えばCPP構造磁気抵抗効果素子に適用されてもよい。こういったCPP構造磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜を挟み込み、磁気抵抗効果膜に供給される電流の流通路を形成する上側電極および下側電極と、上側電極および下側電極の少なくともいずれか一方に組み込まれる電子冷却素子とを備えればよい。こうしたCPP構造磁気抵抗効果素子では電子冷却素子にペルチェ素子が用いられればよい。
一般に、CPP構造磁気抵抗効果素子では、上側および下側電極が上下シールド層として機能する。シールド層には十分な広がりが要求される。こうした広がりに基づき磁気抵抗効果膜からの熱は上側および下側電極に伝達されやすい。電子冷却素子のペルチェ効果によれば、上側および下側電極に分散する熱は効率的に放熱されることができる。CPP構造磁気抵抗効果素子では比較的に簡単な構造で磁気抵抗効果膜の温度上昇は抑えられることができる。
以上のようなCPP構造磁気抵抗効果素子は、例えばハードディスク駆動装置(HDD)といった磁気ディスク駆動装置に組み込まれるヘッドスライダに搭載されてもよく、磁気テープ駆動装置といったその他の磁気記録媒体駆動装置に組み込まれるヘッドスライダに搭載されてもよい。
図1は、ハードディスク駆動装置(HDD)の内部構造を概略的に示す平面図である。
図2は、一具体例に係る浮上ヘッドスライダの構造を概略的に示す拡大斜視図である。
図3は、浮上面で観察される読み出し書き込みヘッドの様子を概略的に示す正面図である。
図4は、図3の4−4線に沿った平面図である。
図5は、図3の5−5線に沿った拡大部分断面図である。
図6は、一具体例に係る磁気抵抗効果(MR)膜の構造を概略的に示す拡大正面図である。
図7は、図5に対応し、一変形例に係るCPP構造MR読み取り素子の一部を示す拡大部分断面図である。
図8は、図5に対応し、さらに他の変形例に係るCPP構造MR読み取り素子の一部を示す部分拡大断面図である。
図9は、図5に対応し、さらに他の変形例に係るCPP構造MR読み取り素子の一部を示す部分拡大断面図である。
図10は、図5に対応し、さらに他の変形例に係るCPP構造MR読み取り素子の一部を示す部分拡大断面図である。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図1は磁気記録媒体駆動装置の一具体例すなわちハードディスク駆動装置(HDD)11の内部構造を概略的に示す。このHDD11は、例えば平たい直方体の内部空間を区画する箱形の筐体本体12を備える。収容空間には、記録媒体としての1枚以上の磁気ディスク13が収容される。磁気ディスク13はスピンドルモータ14の回転軸に装着される。スピンドルモータ14は例えば7200rpmや10000rpmといった高速度で磁気ディスク13を回転させることができる。筐体本体12には、筐体本体12との間で収容空間を密閉する蓋体すなわちカバー(図示されず)が結合される。
収容空間にはヘッドアクチュエータ15がさらに収容される。このヘッドアクチュエータ15は、垂直方向に延びる支軸16に回転自在に支持されるアクチュエータブロック17を備える。アクチュエータブロック17には、支軸16から水平方向に延びる剛体のアクチュエータアーム18が規定される。アクチュエータアーム18は磁気ディスク13の表面および裏面ごとに配置される。アクチュエータブロック17は例えば鋳造に基づきアルミニウムから成型されればよい。
アクチュエータアーム18の先端にはヘッドサスペンション19が取り付けられる。ヘッドサスペンション19は、アクチュエータアーム18の先端から前方に向かって延びる。周知の通り、ヘッドサスペンション19の前端には浮上ヘッドスライダ21が支持される。浮上ヘッドスライダ21は磁気ディスク13の表面に向き合わせられる。
浮上ヘッドスライダ21には、磁気ディスク13の表面に向かってヘッドサスペンション19から押し付け力が作用する。磁気ディスク13の回転に基づき磁気ディスク13の表面で生成される気流の働きで浮上ヘッドスライダ21には浮力が作用する。ヘッドサスペンション19の押し付け力と浮力とのバランスで磁気ディスク13の回転中に比較的に高い剛性で浮上ヘッドスライダ21は浮上し続けることができる。
アクチュエータブロック17には例えばボイスコイルモータ(VCM)といった動力源22が接続される。この動力源22の働きでアクチュエータブロック17は支軸16回りで回転することができる。こうしたアクチュエータブロック17の回転に基づきアクチュエータアーム18およびヘッドサスペンション19の揺動は実現される。浮上ヘッドスライダ21の浮上中に支軸16回りでアクチュエータアーム18が揺動すると、浮上ヘッドスライダ21は半径方向に磁気ディスク13の表面を横切ることができる。こうした移動に基づき浮上ヘッドスライダ21は所望の記録トラックに位置決めされる。周知の通り、複数枚の磁気ディスク13が筐体本体12内に組み込まれる場合には、隣接する磁気ディスク13同士の間で2本のアクチュエータアーム18すなわち2つのヘッドサスペンション19が配置される。
図2は浮上ヘッドスライダ21の一具体例を示す。この浮上ヘッドスライダ21は、平たい直方体に形成されるAl−TiC(アルチック)製のスライダ本体23を備える。スライダ本体23の空気流出端にはAl(アルミナ)製のヘッド素子内蔵膜24が接合される。ヘッド素子内蔵膜24には電磁変換素子すなわち読み出し書き込みヘッド25が埋め込まれる。スライダ本体23およびヘッド素子内蔵膜24には、磁気ディスク13に対向する媒体対向面すなわち浮上面26が規定される。
浮上面26には、スライダ本体23の空気流入端に沿って延びるフロントレール28と、スライダ本体23の空気流出端に隣接して広がるリアレール29とが形成される。フロントレール28およびリアレール29の頂上面にはいわゆるABS(空気軸受け面)31、32が規定される。ABS31、32の空気流入端は段差33、34でレール28、29の頂上面に接続される。読み出し書き込みヘッド25はABS32で前端を露出させる。ただし、ABS32の表面には、読み出し書き込みヘッド25の前端に覆い被さるDLC(ダイヤモンドライクカーボン)保護膜が形成されてもよい。
磁気ディスク13の回転に基づき生成される気流35は浮上面26に受け止められる。このとき、段差33、34の働きでABS31、32には比較的に大きな正圧すなわち浮力が生成される。しかも、フロントレール28の後方すなわち背後には大きな負圧が生成される。これら浮力および負圧のバランスに基づき浮上ヘッドスライダ21の浮上姿勢は確立される。なお、浮上ヘッドスライダ21の形態はこういった形態に限られるものではない。
図3は浮上面26の様子を詳細に示す。読み出し書き込みヘッド25は、薄膜磁気ヘッドすなわち誘導書き込みヘッド素子36とCPP構造電磁変換素子すなわちCPP構造磁気抵抗効果(MR)読み取り素子37とを備える。誘導書き込みヘッド素子36は、周知の通り、例えば導電コイルパターン(図示されず)で生起される磁界を利用して磁気ディスク13に2値情報を書き込むことができる。
CPP構造MR読み取り素子37は、周知の通り、磁気ディスク13から作用する磁界に応じて変化する抵抗に基づき2値情報を検出することができる。誘導書き込みヘッド素子36およびCPP構造MR読み取り素子37は、前述のヘッド素子内蔵膜24の上側半層すなわちオーバーコート膜を構成するAl(アルミナ)膜38と、下側半層すなわちアンダーコート膜を構成するAl(アルミナ)膜39との間に挟み込まれる。
誘導書き込みヘッド素子36は、ABS32で前端を露出させる上部磁極層41と、同様にABS32で前端を露出させる下部磁極層42とを備える。上部および下部磁極層41、42は例えばFeNやNiFeから形成されればよい。上部および下部磁極層41、42は協働して誘導書き込みヘッド素子36の磁性コアを構成する。上部および下部磁極層41、42の間には例えばAl(アルミナ)製の非磁性ギャップ層43が挟み込まれる。周知の通り、導電コイルパターンで磁界が生起されると、非磁性ギャップ層43の働きで、上部磁極層41と下部磁極層42とを行き交う磁束は浮上面26から漏れ出る。こうして漏れ出る磁束が記録磁界(ギャップ磁界)を形成する。
CPP構造MR読み取り素子37は、アルミナ膜39すなわち下地絶縁層の表面に沿って広がる下側電極44を備える。下側電極44は導電性を備えるだけでなく同時に軟磁性を備えてもよい。下側電極44が例えばパーマロイ(NiFe合金)といった導電性の軟磁性体で構成されると、下側電極44は同時にCPP構造MR読み取り素子37の下部シールド層として機能することができる。下側電極44の表面には1平坦化面46が規定される。
平坦化面46上には電磁変換膜すなわち磁気抵抗効果(MR)膜47が積層される。このMR膜47は、ABS32で露出する前端から平坦化面46に沿って後方に広がる。下側電極44は、少なくともABS32で露出する前端でMR膜47の下側境界面47aに接触する。こうしてMR膜47と下側電極44との間には電気的接続が確立される。MR膜47の詳細は後述される。
同様に、平坦化面46上では、ABS32に沿って延びる1対の磁区制御ハード膜48が形成される。磁区制御ハード膜48は平坦化面46上でABS32に沿ってMR膜47を挟み込む。磁区制御ハード膜48は例えばCoPtやCoCrPtといった金属材料から形成されればよい。これらの磁区制御ハード膜48では、周知の通り、MR膜47を横切る1方向に沿って磁化は確立されることができる。こうした磁区制御ハード膜48の磁化に基づきバイアス磁界が形成されると、MR膜47内で例えば自由側強磁性層(free layer)の単磁区化は実現されることができる。
平坦化面46上にはさらに被覆絶縁膜49が覆い被さる。この被覆絶縁膜49は下側電極44との間に磁区制御ハード膜48を挟み込む。被覆絶縁膜49中でMR膜47の頂上面すなわち上側境界面47bはABS32に隣接して露出する。
被覆絶縁層49の表面には上側電極51が広がる。上側電極51は、少なくともABS32で露出する前端でMR膜47の上側境界面47bに接触する。こうしてMR膜47と上側電極51との間には電気的接続が確立される。上側電極51が例えばパーマロイ(NiFe合金)といった導電性の軟磁性体で構成されると、上側電極51は同時にCPP構造MR読み取り素子37の上部シールド層として機能することができる。
上側電極51の後端は、例えば図4に示されるように、接続端子52に接続される。接続端子52は引き出し層53に接続される。引き出し層53、接続端子52および上側電極51は、MR膜47に供給されるセンス電流の供給路を形成する導体として機能する。同様に、下側電極44の後端は接続端子54に接続される。接続端子54は引き出し層55に接続される。引き出し層55、接続端子54および下側電極A4は、MR膜47に供給されるセンス電流の供給路を形成する導体として機能する。
本発明の一具体例では、図5に示されるように、上側電極51および下側電極44に電子冷却素子56、56が組み込まれる。このとき、上側電極51は電子冷却素子56で第1導体片51aと第2導体片51bとに完全に分断される。MR膜47の表面には第1導体片51aが受け止められる。第2導体片51bの後端には接続端子52が受け止められる。上側電極51と同様に、下側電極44は電子冷却素子56で第1導体片44aと第2導体片44bとに完全に分断される。MR膜47の表面には第1導体片44aが受け止められる。第2導体片44bの後端には接続端子54が受け止められる。
電子冷却素子56は例えばペルチェ素子から構成されればよい。ペルチェ素子には例えばBiTe/SbTe合金が用いられればよい。こうした合金材料によれば、抵抗率ρは1[mΩcm]程度に、ゼーベック係数Sは200[μV/K]程度に、性能指数ZTは0.9程度にそれぞれ設定されることができる(G.Mahan,B.Sales,and J.Sharp,Phys.Today 50,42(1997))。
磁気情報の読み出しにあたってCPP構造MR読み取り素子37が磁気ディスク13の表面に向き合わせられると、MR膜47では、周知の通り、磁気ディスク13から作用する磁界の向きに応じて自由側強磁性層の磁化方向は回転する。こうして自由側強磁性層の磁化方向が回転すると、MR膜47の電気抵抗は大きく変化する。したがって、上側電極51および下側電極44からMR膜47にセンス電流が供給されると、上側電極51および下側電極44から取り出される電気信号のレベルは電気抵抗の変化に応じて変化する。このレベルの変化に応じて2値情報は読み取られることができる。
このとき、MR膜47では、MR膜47の電気抵抗に基づきジュール熱が発生する。MR膜47を挟み込む被覆絶縁膜49はMR膜47の放熱を妨げる。その一方で、導電材料から構成される上側および下側電極51、44には効率的にMR膜47から熱が伝達される。上側電極51では、電子冷却素子56のペルチェ効果に基づきMR膜47側の端面から接続端子52側の端面に向かって熱は移動する。同様に、下側電極44では、電子冷却素子56のペルチェ効果に基づきMR膜47側の端面から接続端子54側の端面に向かって熱は移動する。電子冷却素子56を構成するペルチェ素子に例えば2[mA]のセンス電流が供給されると、ペルチェ効果に基づきおよそ200[μW]の熱は吸収される。
以上のようなCPP構造MR読み取り素子37では、上側および下側電極51、44がシールド層として機能すると、シールド層の広がりに基づきMR膜47からの熱は上側および下側電極51、44に伝達されやすい。電子冷却素子56のペルチェ効果によれば、ジュール熱はMR膜47から遠ざかる方向に効率的に放熱されることができる。CPP構造MR読み取り素子37では比較的に簡単な構成でMR膜47の温度上昇は抑えられることができる。温度上昇が抑えられると、MR膜47ではセンス電流の電流値は高められることができる。MR膜47では十分な抵抗変化量は維持されることができる。CPP構造MR読み取り素子37では、磁気ディスク13から漏れ出る信号磁界に対して十分な感度は確保されることができる。
こういったCPP構造MR読み取り素子37では、電子冷却素子56は上側および下側電極51、44を第1および第2導体片に完全に分断する。しかも電子冷却素子56を構成するペルチェ素子は被覆絶縁膜49よりも低い抵抗値を有する。電子冷却素子56には確実にセンス電流は流されることができる。MR膜47に供給されるセンス電流は電子冷却素子56の駆動にも利用されることができる。電子冷却素子56に固有の配線パターンや電源は省略されることができる。CPP構造MR読み取り素子37では比較的に簡単な構造でMR膜47の温度上昇は抑えられることができる。
以上のようなCPP構造MR読み取り素子37の製造方法について簡単に説明する。例えば下側電極44では、周知のエッチング法に基づき、まず下側電極44を分断する溝が形成される。下側電極44上には、溝に対応する空隙を区画するレジスト膜が形成されればよい。溝の幅は電子冷却素子56の厚さに合わせられればよい。次に、こうして形成された溝で電子冷却素子56は形成される。形成にあたって、例えば周知のスパッタリング法や分子線エピタキシー(MBE)、金属有機化学気相成長(MOCVD)が実施されればよい。上側電極51でも下側電極44と同様の方法で電子冷却素子56は形成されればよい。
ここで、MR膜47の構造について簡単に説明する。図6はMR膜47の一具体例を示す。このMR膜47はいわゆるスピンバルブ膜で構成される。すなわち、MR膜47では、Ta下地層57、自由側強磁性層58、中間導電層59、固定側強磁性層(pinned layer)61、磁化方向拘束層(pinning layer)すなわち反強磁性層62および導電保護層63が順番に重ね合わせられる。反強磁性層62の働きに応じて固定側強磁性層61の磁化は1方向に固定される。ここで、自由側強磁性層58は、例えばTa下地層57の表面に積層されるNiFe層58aと、NiFe層58aの表面に積層されるCoFe層58bとで構成されればよい。中間導電層59は例えばCu層から構成されればよい。固定側強磁性層61は例えばCoFeといった強磁性材料から形成されればよい。反強磁性層62は例えばIrMnやPdPtMnといった反強磁性合金材料から形成されればよい。導電保護層63は例えばAu層やPt層から構成されればよい。
その他、MR膜47には、いわゆるトンネル接合膜が用いられてもよい。トンネル接合膜では、前述の中間導電層59に代えて、自由側強磁性層58と固定側強磁性層61との間に中間絶縁層が挟み込まれればよい。こういった中間絶縁層は例えばAl層から構成されればよい。
例えば図7に示されるように、下側電極44や上側電極51は、順番に積層される第1導体片44a、51aや第2導体片44b、51bに分断されてもよい。ここでは、下側電極44の第1導体片44aは、ABS32で露出する前端から下地絶縁層の表面に沿って後方に広がる。第1導体片44aの後端には接続端子54が受け止められる。第1導体片44aの表面には電子冷却素子56が積層される。第2導体片44bは電子冷却素子56の表面に広がる。第2導体片44bの表面にはMR膜47が受け止められる。その一方で、MR膜47の表面には上側電極51の第1導体片51aが受け止められる。
例えば図8に示されるように、電子冷却素子56は、下側電極44と接続端子54の間や、上側電極51と接続端子52との間に配置されてもよい。下側電極44と接続端子54とは電子冷却素子56で完全に分断される。上側電極51と接続端子52とは電子冷却素子56で完全に分断される。ここでは、下側電極44や上側電極51は本発明の第1導体片に相当する。接続端子54、52は本発明の第2導体片に相当する。こういったCPP構造MR膜読み取り素子37では、MR膜47から上側および下側電極51、44に分散するジュール熱は効率的に放熱されることができる。CPP構造MR読み取り素子37では比較的に簡単な構造でMR膜47の温度上昇は抑えられることができる。図8から明らかなように、電子冷却素子56は下側電極44や上側電極51の表面に埋め込まれてもよい。また、図9から明らかなように、電子冷却素子56は下側電極44や上側電極51の表面に形成されてもよい。
以上のようなCPP構造MR読み取り素子37では、例えば図10に示されるように、導体には複数の電子冷却素子56が配置されてもよい。このとき、上側および下側電極51、44や接続端子52、54、引き出し層53、55は電子冷却素子56で複数の導体片に分断されればよい。例えば3つ以上の導体片に分断されればよい。こういったCPP構造MR膜読み取り素子37では、MR膜47から上側および下側電極51、44に分散するジュール熱はより効率的に放熱されることができる。CPP構造MR読み取り素子37では比較的に簡単な構造でMR膜47の温度上昇は抑えられることができる。
なお、以上のようなCPP構造MR膜読み取り素子37では、電子冷却素子56が「組み込まれる」状態には、電子冷却素子56がMR膜47と上側および下側電極51、44との間に挟まれる状態も含まれる。

Claims (9)

  1. 電磁変換膜と、電磁変換膜に接続され、電磁変換膜に供給される電流の流通路を形成する導体と、導体に組み込まれる電子冷却素子とを備えることを特徴とする電磁変換素子。
  2. 請求の範囲第1項に記載の電磁変換素子において、前記電子冷却素子はペルチェ素子であることを特徴とする電磁変換素子。
  3. 請求の範囲第2項に記載の電磁変換素子において、前記導体は、前記電磁変換膜に接続される第1導体片と、前記電子冷却素子で第1導体片から分断される第2導体片とを備えることを特徴とする電磁変換素子。
  4. 請求の範囲第2項に記載の電磁変換素子において、前記導体は複数の導体片に分断され、隣接する導体片同士の間には電子冷却素子が挟み込まれることを特徴とする電磁変換素子。
  5. 請求の範囲第1項または第2項に記載の電磁変換素子において、前記電磁変換膜は磁気抵抗効果膜であることを特徴とする電磁変換素子。
  6. 磁気抵抗効果膜と、磁気抵抗効果膜を挟み込み、磁気抵抗効果膜に供給される電流の流通路を形成する上側電極および下側電極と、上側電極および下側電極の少なくともいずれか一方に組み込まれる電子冷却素子とを備えることを特徴とするCPP構造磁気抵抗効果素子。
  7. 請求の範囲第6項に記載のCPP構造磁気抵抗効果素子において、前記電子冷却素子はペルチェ素子であることを特徴とするCPP構造磁気抵抗効果素子。
  8. 請求の範囲第7項に記載のCPP構造磁気抵抗効果素子において、前記導体は、前記電磁変換膜に接続される第1導体片と、前記冷却素子で第1導体片から分断される第2導体片とを備えることを特徴とするCPP構造磁気抵抗効果素子。
  9. 請求の範囲第7項に記載のCPP構造磁気抵抗効果素子において、前記導体は複数の導体片に分断され、隣接する導体片同士の間には電子冷却素子が挟み込まれることを特徴とするCPP構造磁気抵抗効果素子。
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