KR0140551B1

KR0140551B1 - 입자 다층 자기 저항 센서

Info

Publication number: KR0140551B1
Application number: KR1019940006481A
Authority: KR
Inventors: 로버트 코피 케빈; 켄트 하워드 제임스; 래니어 힐톤 토드; 앤드류 파커 마이클
Original assignee: 윌리엄 티. 엘리스; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 1998-07-15
Also published as: CN1062670C; JPH06326377A; KR940024665A; CN1094835A; EP0622781A3; US5476680A; EP0622781A2; JP2669595B2; EP0622781B1; TW265440B; DE69419202T2; DE69419202D1

Abstract

자기 저항 판독 센서는 비자성 전기 도전 재료에 삽입된 강자성 재료의 일반적으로 편평한 입자의 복수층으로 구성되는 입자 다층 감지 소자를 포함한다. 스페이서층에 의해 자기 저항 감지 소자로부터 분리된 바이어스층은 원하는 비신호점에서 자기 저항 감지 소자를 바이어스하기 위해 자계를 제공한다. 강자성 재료와 비자성 재료는 상호 혼합불가능하며, 또는 혼합가능하거나 부분적으로 혼합가능한 상호 확산을 제어하는 방식으로 처리될 수 있다. 자기 저항 감지 소자는 기판 위에 강자성 재료층과 비자성 도전 재료층을 교대로 피착하고, 다음에 그 구조를 어닐링함으로써 형성된다. 어닐링 주기동안 강자성층 상하의 비자성 재료층은 입자 경계에서 침투하여 강자성층의 연속성을 파괴하여 비자성 재료 매트릭스에 매립된 강자성 입자의 층이나 평면을 형성한다.

Description

입자 다층 자기 저항 센서

제1도는 본 발명을 구현하는 자기 디스크 저장 시스템의 간략화된 블록도,

제2도는 본 발명의 원리에 따른 입자 다층 자기 저항 감지 소자(granular multilayer magnetoresistive sensing element)의 바람직한 실시예를 나타내는 사시도.

제3도는 어닐링 공정(anneal process) 전에 제2도에 도시된 다층 감지 소자를 설명하는 단면도.

제4도는 각 자구(磁區)(magnetic domain)의 방향을 나타내는, 제2도에 도시된 어닐링된 다층 감지 소자의 사시도.

제5도는 제2도에 도시된 다층 감지 소자의 어닐링 후의 특정한 실시예를 나타내는 단면도.

제6도는 제2도에 도시된 다층 감지 소자의 특정한 실시예에 대해 어닐링 온도의 함수로서 자기 저항(magnetoresistance) 대 인가 자계(applied magnetic field)를 나타내는 그래프.

제7도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 자기 저항 대 인가 자계를 나타내는 그래프.

제8도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 자기 저항 대 인가 자계를 나타내는 그래프.

제9도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 온(silver)층 두께의 함수로서 자기 저항 대 어닐링 온도를 나타내는 그래프.

제10도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 니켈-철(nickel-iron) 층 두께의 함수로서 자기 저항 대 어닐링 온도를 나타내는 그래프.

제11도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 자기 저항 대 이중층(bilayer)의 수를 나타내는 그래프.

제12도는 제2도에 도시된 자기 저항 감지 소자의 바람직한 실시예에 대해 어닐링 온도의 함수로서 자기 저항 대 인가 자계를 나타내는 그래프.

제13도는 본 발명의 원리에 따른 자기 저항 자기 센서의 바람직한 실시예의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 자기 디스크 13 : 슬라이더

14 : 스핀들 15 : 서스펜션

18 : 디스크 구동 모터 19 : 액츄에이터 암

22 : 디스크 표면 25 : 기록 채널

29 : 액츄에이터 수단

본 발명은 일반적으로 자기 매체에 기록된 데이타 신호를 판독하기 위한 자기 변환기(magnetic transducer)에 관한 것으로, 더 구첵적으로는 비자성 도전 재료의 매트릭스(matrix)에 고정된 다층의 개개의 강자성 입자(ferromagnetic particles)들에 의해 나타내지는 대규모 자기 저항(giant magnetoresistance)에 근거한 자기 저항 판독 센서(magnetoresistive read sensor)에 관한 것이다.

자기 저항(MR) 센서나 헤드로 언급되는, 자기 매체로부터 고밀도의 기록 데이타를 판독하기 위한 자기 판독 변환기를 사용하는 것은 종래 기술로서 공지되어 있다. MR 센서는 자기 재료로 만들어진 판독 소자의 저항이 이 판독 소자에 의해 감지되는 자속의 세기와 방향의 함수로서 변화함에 따라 자계 신호를 감지한다.

이러한 종래 기술의 MR 센서들은 판독 소자를 통해 흐르는 감지 전류 흐름의 방향과 자화 방향(magnetization) 사이의 각도의 코사인의 자승(COS²)에 따라 판독 소자 저항 성분이 변화하는 이방성 자기 저항(AMR : Anisotropic Magnetoresistive) 효과에 근거하여 작동한다. AMR 효과에 관한 거욱 자세한 설명은 디. 에이. 톰슨 등(D. A. Thompson et al.)에 의해 IEEE Trans, Mag, MAG-11, p1039 (1975)에 게재된 메모리, 저장 및 관련 응용 기술(Memory, Storage, and Related Applications)에 개시되어 있다. 발명자가 타키노(Takino et al.) 등이고 발명의 명칭이 자기 저항 효과를 이용한 자기 변환 헤드인 1990년 1월 23일자 미합중국 특허 제4,896,235호에는 AMR을 사용하고, 비자성층에 의해 구분되는 제1 및 제2 자기층으로 구성되며, 그 중 최소한 하나의 자기층이 AMR 효과를 나타내는 재료로 된 다층의 자기 센서가 개시되어 있다. 각 자기층에서 자화 용이축(easy axis of magnetization)은 가해지는 자기 신호에 수직 방향으로 설정되어, MR 센서 소자 센서 전류가 자기층에 이 용이축과 평행한 자계를 제공하고, 이에 따라 센서에서 바크하우젠(Barkhausen) 잡음을 없애거나 최소화한다. 에이치 수야마 등(H. Suyama et al)에 의해, IEEE Trans, Mag., Vol. 24, No. 6, 1988(pages 2612-2614)에 게재된 고밀도 강성 디스크 드라이브용 박막 MR 헤드(Thin Film MR Head for High Density Rigid Disk Drive)는 타키노 등이 개시한 것과 유사한 다층의 MR 센서를 개시하고 있다.

전술한 자기 저항 효과와는 상이하고 이에 비해 더욱 두드러지는 제2의 자기 저항 효과도 기재된 바 있는데, 여기에서 적층 자기 센서(layered magnetic sensor)의 저항 변화가 생기는 이유는 강자성층들 간의 도전 전자(conduction electrons)가 이 강자성층들을 분리시키는 비자성층을 통해 스핀 의존적으로 전송(spin-dependent transmission)되고 이에 수반하여 층 경계에서 스핀 의존적인 분산(spin-dependent scattering)이 일어나기 때문이다. 이 자기 저항 효과는 대규모 자기 저항(giant magnetoresistive) 또는 스핀 밸브(spin valve) 효과로 다양하게 불린다. 적절한 재료로 만들어진 그러한 자기 저항 센서는 AMR 효과를 사용한 센서보다 감도가 향상되고 저항 변화가 더 크다. 이런 형태의 MR 센서에서, 비자성층에 의해 구분된 한 쌍의 강자성층 사이의 면내(in-plane) 저항은 두 층의 자화 방향 사이의 각도의 코사인(cosine)에 따라 변화한다.

그룬버그(Grunberg)의 미합중국 특허 제4,949,039호는 자기층들에서 자화 방향이 반평행으로 배열됨으로써 향상된 MR 효과를 나타내는 적층 자기 구조를 개시한다. 적층식 구조에 사용가능한 재료로서 그룬버그는 강자성 전이 금속(ferromagnetic transition metals)과 합금들을 열거하고 있으나, 그중 월등한 MR 신호 진폭을 얻기 위한 선호되는 재료는 언급하지 않고 있다. 그룬버그는 또한 반강자기형의 교환 결합(antiferromagnetic-type exchange coupling)을 사용하여 반평행 배열을 얻은 것에 대해 설명하고 있는데, 여기에서는 인접하는 강자성 재료층들이 Cr 또는 Y의 얇은 인터레이어(interlayer)에 의해 분리되어 있다.

1990년 12월 11일에 출원되고 본건의 양수인에게 양도된 계류중인 미합중국 특허 출원 제07/625,343호는 두개의 비결합된 강자성막 사이의 저항이 두 막의 자화방향간의 각도의 코사인(cosine)에 따라 변화하고 센서를 통한 전류 흐름의 방향과는 무관한 MR 센서에 대해 설명하고 있다. 이 메카니즘은 스핀 밸브 효과에 근거한 것으로서, 재료의 조합을 잘 선택하면 AMR보다 크기가 큰 자기 저항을 발생시킨다.

1992년 10월 27일 디니 등 (Dieny et al)에게 허여되었으며, 본 건의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제5,159,513호는 상기 언급된 효과에 기반을 둔 MR 센서를 개시하는데, 이 MR 센서는 비자성 금속 재료의 박막층(thin film layer)으로 분리되어 있는 강자성 재료의 두 박막층을 포함하고, 이중 적어도 하나의 강자성층이 코발트이거나 코발트 합금으로 되어 있다. 소정 강자성층의 자화 방향은 외부인자 자계가 0일 때 반강자성층에의 교환 결합에 의해 다른 강자성층의 자화 방향에 수직으로 유지된다.

상기 인용된 미합중국 특허와 특허 출원에서 설명된 스핀 밸브 구조들에서는 2개의 강자성층들 중 하나의 층에서 자화 방향이 선택된 방향으로 고정되거나 핀되고(pinned), 신호가 없는 조건하에서 다른 강자성층의 자화 방향이 핀된 층(pinned layer)의 자화 방향에 수직이어야 한다. 덧붙여, AMR과 스핀 밸브 구조 모두에 있어, 바크하우젠(Barkhausen) 잡음을 최소화하기 위해, 적어도 판독 소자의 감지부(sensing part)를 하나의 자구 상태(single magnetic domains state)로 유지하도록 길이 방향 바이어스계(longitudinal bias field)를 제공하는 것이 필수적이다. 따라서, 자화 방향을 고정시키고, 또한 길이 방향 바이어스계를 제공하기 위한 수단이 필요해진다. 예를 들어, 상기 인용된 특허 출원과 특허에서 설명된 바와 같이, 교환 결합된 바이어스계를 제공하기 위해 추가의 반강자성 재료층을 강자성층과 접촉하도록 형성할 수 있다. 또는, 인접한 자기 강성(magnetically hard) 층을 이용하여 강자성층에 강성 바이어스(hard bias)를 제공할 수 있다.

더 최근에는, 비자성 금속 매트릭스에 매립된(embedded) 강자성 입자들로된 단층 및 다층 이종(異種)막(heterogeneous films)에서 대규모 자기 저항 효과(GMR)가 관찰되었다. GMR은 코발트-구리(Co-Cu), 코발트-은(Co-Ag), 그리고 니켈-철-은(Ni-Fe-Ag)같은 불균일한(inhomogeneous) 단일층 합금계에서 생기는 것으로 보고 되었다. 예를 들어, 비자성 자기 시스템의 대규모 자기 저항(GIANT MAGNETORESISTANCE IN NONMAGNETIC MAGNETIC SYSTEMS), 존 큐. 시아오 등(John Q. Xiao), PHYSICAL REVIEW LETTERS, 제68권, 제25호, 3749-3752 페이지(1992년 6월 22일자); 이종 CU-CO 합금에서의 대규모 자기 저항(GIANT MAGNETORESISTANCE IN HETEROGENEOUS CU-CO ALLOYS) , 에이. 이. 버코위즈 등(A. E. Berkowitz et al), PHYSICAL REVIEW LETTERS, 제68권, 제25호, 25번(No. 25), 3745-3748 페이지(1992년 6월 22일자); 단일층 CO-AG 합금막에서 관찰되는 대규모 자기 저항(GIANT MAGNETORESISTANCE OBSERVED IN SINGLE LAYER CO-AG ALLOY FILMS), 제이, 에이, 바나드 등(J. A. Barnard el al), 편집자에게 보내는 편지(Letter to the Editor), JOURNAL OF ANGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS, 114(1992), L230-L234 페이지; 및 제이. 제잉 등(J. Jaing et al), APPLIED PHYSICS LETTERS, 제61권, 2362 페이지(1992)를 참조한다. 코발트 합금(Co Alloys)은 저온에서 혼합 불가능한(immiscible) 재료로 이루어져 있다. 그러나, 준안정(metastable) 합금을 어닐링함으로써 구리(Cu)나 은(Ag) 매트릭스에서 미세한 코발트 침전(precipitates), 즉 입자가 형성된다. MR 효과는 평균 입자 지름에 반비례하여 변화하는 것으로 보인다. 입자(granular) 합금은 보다 복잡한 다층 스핀 밸브 센서에 비하여 단일 막만을 가진 GMR센서를 얻는 좋은 접근 방식인 반면, 코발트 합금은 수천 에르스텟(Oe)의 포화계(saturation field)를 필요로 하여 저자계 MR 센서 응용에서는 유용하지 않다. 최근 보고된 은(Ag) 매트릭스 내의 입자 NiFe에 대한 연구에서는 MR 피크의 반 높이 폭(half-height width)이 약 400 Oe이며 실온에서 10퍼센트의 MR[(△R)/R]을 생성했다. 보다 최근의 은(Ag) 매트릭스 내의 어닐링된 NiFe 다층에 관한 연구에서는 포화계(saturation field)가 100 Oe이고 실온에서 약 17퍼센트의 MR을 보이는 입자 다층 구조를 생성했다. NI-FE/AG 다층의 자기 저항성과 열 안정성(MAGNETORESISTIVE PROPERTIES AND THERMAL STABILITY OF NI-FE/AG MULTILAYERS), 비. 로드마크 등(B, Rodmacq et al), Letter to the Editor, JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS. 118(1993), LⅡ-L16 페이지를 참조한다. 비록 단일층과 다층의 NiFe 합금에 대한 포화계는 코발트 합금에서의 보고된 값보다 낮지만, MR 장치로 사용가능한 범위(약 10 Oe 또는 그 미만)보다는 여전히 높다.

따라서, 본 발명의 주 목적은 입자 다층 구조에서 GMR 효과에 근거한 저자계 MR 자기 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 하나 또 그 이상의 강자성층에서 자화 방향을 고정하기 위한 추가 구조 수단이나 필드 감지 소자에 대한 길이 방향 바이어스계가 필요치 않은 MR 센서를 제공하기 위한 것이다.

이러한 그리고 이외의 목적과 이점은 본 발명의 원리에 의한 입자 다층 감지 소자를 포함하는 MR 판독 센서에 의해 달성되는데, 이 판독 MR 센서는 비자성 도전 재료에 매립된 강자성 재료의 편평한 판(flat plate) 또는 디스크형 입자 또는 아일랜드(island)로 된 다층을 구비한 자기 저항 감지 소자와, 원하는 비신호점(non-signal point)에서 자기 저항 감지 소자를 바이어스할 자계를 제공하는 바이어스층-이 바이어스층과 자기 저항 감지 소자 사이에는 비자성 스페이서층이 배치되어 있어 이 바이어스층이 자기 저항 감지 소자로부터 분리됨-을 포함하는, 적절한 기판상에 형성된 층구조를 포함한다. 강자성 재료와 비자성 재료는 그 두 재료가 상호 혼합이 불가능하도록(mutually immiscible) 선택된다. 선택적으로, 자기 및 비자성 재료들은 상호 확산(interdiffusion)을 제한하기 위해 제어된 방식으로 처리되는 평형 조건하에서 혼합 가능하거나 부분적으로 혼합가능하게 될 수 있다. 자기 저항 감지 소자는 바이어스와 스페이서층 위에, 강자성 재료로 이루어진 층과 비자성 도전 재료로 이루어진 층을 기판에 번갈아가며 피착시킴(deposit)으로써 형성된다. 피착이 완료되면 다층 자기 저항 감지 소자는 어닐링된다. 어닐링 주기동안 강자성층 위 아래의 비자성 재료로 된 혼합불가능한 층들이 입자 경계에 침투하여 강자성층의 연속성을 깨뜨려서 비자성 재료로 된 매트릭스 내에 매립된 강자성 입자의 층이나 면을 형성함에 따라, 강자성층들은 편평한 판형의 입자(flat plate-like particles)들로 분할된다. 그 구조는 자기 저항 감지 소자의 바람직한 또는 용이 자기축이 인접한 저장 매체 위의 데이타 트랙폭에 평행하게 되도록 인가된 자계 하에서 더 어닐될 수 있다. 강자성 입자들의 각 층은 임의의 방향의 자기 모멘트를 갖는 자구의 집합과 같은 성질을 보인다. 자계가 입자층이 평면에 인가되는 경우, 자기 모멘트가 인가되는 자계에 평행하게 정렬되어 자기 저항 감지 소자의 저항을 줄이게 될 것이다. 전류원은 MR 센서의 저항 변화에 비례하는 전압 강하를 감지 소자 양단에 발생시키는데, 이때 저항 변화는 감지되는 외부 인가 자계의 함수인 강자성 입자층의 자기 모멘트의 회전에 의한 것이다.

따라서, 본 발명은 자기 저항 감지 소자가 개개의 자기 모멘트가 인가된 자기 신호에 응답하여 회전하는 다수의 자구로 구성되는 MR 센서를 제공한다. 자벽 운동이 제한된(with limited domain wall motion) 자기 모멘트의 회전에 대해 반응하므로, 바크하우젠 잡음을 최소화하기 위한 길이 방향 바이어스계가 필요하지 않게 된다.

본 발명의 상기한 그리고 그외의 목적, 특징, 그리고 이점들은 같은 참조 번호가 같은 부분을 나타내는 첨부된 도면을 참조한 발명의 바람직한 실시예의 다음과 같은 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

이제 제1도를 참조하면, 비록 본 발명이 제1도에 도시된 자기 디스크 저장 시스템에 구현되 대로 설명되지만, 본 발명은 예를 들어 자기 테이프 기록 시스템 같은 다른 자기 기록 시스템이나 자계를 감지하는데 센서가 사용되는 다른 응용예에도 응용 가능하다는 것이 명백하다. 자기 디스크 저장 시스템은 스핀들(14)에 지지되어 있고, 디스크 구동 모터(18)에 의해 회전되는 최소한 하나의 회전가능한 자기 디스크(12)로 구성되며, 최소한 하나의 슬라이더(13)은 디스크(12) 위에 배치되어 있고, 각 슬라이더는 흔히 판독/기록 헤드로 언급되는 하나 또는 그 이상의 자기 기록/판독 변환기(21)을 지지하고 있다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크(12) 상의 동심(concentric) 데이타 트랙(도시되지 않음)의 고리 모양 패턴(annular pattern) 형태로 되어 있다. 디스크가 회전함에 따라, 소기의 데이타가 기록되어 있는 디스크의 여러 다른 부분들을 헤드(21)가 액세스할 수 있도록 슬라이더(13)들이 디스크 표면(22) 위를 안밖으로 반지름 방향으로(radially) 이동한다. 각 슬라이더(13)는 서스펜션(suspension, 15)에 의해 액츄에이터 암(actuator arm, 19)에 연결되어 있다. 서스펜션(15)는 슬라이더(13)를 디스크 표면(22)쪽으로 치우치게 하는(biases the slider against the disk surface) 작은 탄성력(spring force)을 제공한다. 각 액츄에이터 암(19)는 액츄에이터 수단(27)에 연결되어 있다. 제1도에 도시된 바와 같은 액츄에이터 수단은 예를 들면 음성 코일 모터(VCM)일 수 있다. VCM은 고정된 자계안에서 이동가능한 코일로 구성되며, 코일 이동의 방향과 속도는 제어기가 공급하는 모터 전류 신호에 의해 제어된다.

디스크 저장 시스템이 동작하는 동안, 디스크(12)의 회전의 슬라이더(13)와 디스크 표면(22) 사이에서 슬라이더에 상향 힘 또는 리프트(lift)를 가하는 공기 베어링을 발생한다. 그래서, 공기 베어링은 서스펜션(15)의 작은 탄성력을 상쇄하여(counterbalance), 동작중에 슬라이더(13)가 디스크 표면에서 떨어져서 약간 위에 있도록 지지하는데, 이 간격은 작고 상당히 일정하다. 디스크 저장 시스템의 여러 다른 부품들은 액세스 제어 신호 및 내부 클럭 신호와 같이 제어 유니트(29)에 의해 발생되는 제어 신호에 의해 동작시 제어된다. 흔히, 제어 유니트(29)는 예를 들어 논리 제어 회로, 저장 수단 및 마이크로프로세서로 구성된다. 제어 유니트(29)는 선(28)상의 구동 모터 제어 신호와 선(28)상의 헤드 위치 선정 및 추적 제어 신호(head position and seek control signals)와 같이 다양한 시스템 동작을 제어하는 제어 신호를 발생한다. 선(28)상의 제어 신호는 관련 디스크(12)상의 소기의 데이타 트랙으로, 정해진 슬라이더(13)을 최적으로 이동시키고 위치를 설정하게 하는 소기의 전류 프로파일을 제공한다. 판독 및 기록 신호는 기록 채널(recording channel, 25)에 의해 판독/기록 헤드(21)과 상호 교류된다.

전형적인 자기 디스크 저장 시스템에 대한 상기 설명과 이에 수반하여 제1도에 예시된 것은 단지 도시하기 위한 것이다. 디스크 저장 시스템은 다수의 디스크와 액츄에이터를 포함할 수 있고, 각 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지할 수 있다.

이제 제2도, 제3도 및 제4도를 살펴보면, 제2도는 도전 재료로 된 비자성 매트릭스(matrix)(33)에 부유하거나 매립된(suspended or embedded) 일반적으로 편평한 또는 편원 형태의(oblate) 팬 케이크나 디스크형 자기 입자나 아일랜드(31)의 층으로 구성된 입자 다층 자기 구조(30)을 나타내는 사시도이다. 제3도에 도시된 바와 같이, 강자성 재료층(35)과 비자성 도전 재료층(37)이 번갈아가며 피착된 다층 구조(34)가 도시되어 있고, 이 구조는 예를 들면 쿼츠(quartz) 모니터로 각기 층의 두께를 제어하여 스퍼터 피착함으로써 만들어진다. 자기 재료와 비자성 재료는 두 재료가 혼합 불가능하도록 선택된다. 선택적으로, 상호 혼합을 막기 위해 제어된 방식으로 처리될 경우, 자기 재료 및 비자성 재료는 평형 상태의 조건하에서 혼합가능하거나 부분적으로 혼합가능하게 될 수 있다. 피착 후에 구조(34)는 어닐된다. 어닐링(annealing) 공정동안, 자기층(35) 상하의 혼합불가능한 층(37)들이 입자 경계를 관통하여 자기층(35)의 연속성을 파괴함으로써 자기층(35)는 편평한 평면형 입자(31)들로 쪼개져서 비자성 재료(33)의 매트릭스에 삽입된 자기 입자(31)의 층이나 평면을 형성한다.

도금(plating), 이온 피착(ion deposition), 증착(evaporation), 또는 페이스트(paste)나 기타 기계적 방법 같은 다른 피착이나 막 형성 공정도 사용될 수 있다.

더욱이, 피착 공정이 완료 후에 반드시 어닐 공정을 수행하여야 하는 것은 아니다. 상승된 온도나 가열된 기판 위에서 피착을 행함으로써 원하는 입자 자기 구조를 얻을 수도 있다.

만약, 자기 입자(31) 사이의 간격이 매트릭스 재료의 도전 전자(conduction electron)의 평균 자유 경로와 비슷하고(comparable), 더 바람직하게는 전자 평균 자유 경로보다 작다면, 입자 구조(30)에서 상당한 MR 효과를 얻을 수 있다. 전술한 공지의 자기/비자기 다층 스핀 밸브 시스템에서, 입자 다층 구조(30)에서 관찰되는 MR은 자구 또는 입자(31) 사이의 매트릭스를 횡단하는(traversing) 도전 전자가 스핀 의존적으로 분산(spin-dependent scattering)되는 것에 주로 기인한 것으로 알려져 있다. 큰 입자들은 하나 이상의 다수의 자기 모멘트로 구성되는 것으로 인식되어 있지만, 분석을 목적으로 각 편평한 입자(31)는 제4도에 도시된 바와 같이 하나의 자기 모멘트나 영역으로 구성되는 것처럼 작용한다고 가정할 수 있다. 만약 입자(31)의 자기 모멘트의 방향이 임의로 정해진다면, 입자에서 입자로의 스핀 의존적인 분산이 증가하여, 구조(30)에 대해 비교적 높은 저항이 발생된다. 입자(31)의 자기 모멘트가 층 간에 서로 반대(antiparallel) 방향일 때 최대 저항이 얻어진다. 반면에, 입자(31)의 자기 모멘트가 평행 방향으로 배열되면, 저항은 비교적 낮은 값으로 감소한다. 매트릭스의 입자 사이에 정전(electrostatic) 및 교환 결합(exchange coupling)이 존재하는 것으로 알려져 있지만, 입자간의 상호작용을 고려하지 않은 단일 입자 모델 분석만으로, 관찰된 MR이 입자(31) 크기, 모양, 이방성에 크게 의존한다는 것을 충분히 보일 수 있다.

편평한 평판형 자기 입자의 배향된 집합(oriented collection)은 구형 자기 입자(spherical magnetic particles)의 유사한 집합보다 훨씬 쉽게 극성화(polarized) 즉 정렬된다는(aligned) 것을 증명할 수 있다. 더욱이, 폭 대 두께 비율이 크면 입자 모멘트의 배열에 필요한 필드(field)에 대한 모양 이방성(shape anisotropy) 효과가 감소된다. 예를 들어 판 두께가 30 옹스트롬(Å)인 경우 주축 치수(dimension)는 약 500Å이어야 한다. 이 입자 크기는 큰 MR 값(또한 수반하는 큰 포화 필드값)을 가진 상기 인용 문헌에서 보고된 40Å의 입자 크기와 비교해 볼 때 상당히 큰 것이다.

계속해서 제4도를 참조하면, 자기 기록 수단 표면(도시되지 않음) 상에 정해진 데이타 트랙(44)을 감지하는 관계로 배열된 MR 센서(40)의 개념도가 도시되어 있다. MR 센서(40)는 MR 감지 소자(41) 및 비자성 스페이서층(nonmagnetic spacer layer, 43)에 의해 감지 소자(41)와 분리되어 있는 바이어스층(45)으로 구성되어 있으며, 감지 전류 I를 MR 센서(40)에 공급하기 위해 도체(49)에 의해 전류원(도시되지 않음)에 연결되어 있다. MR 감지 소자(41)는 제2도 및 제3도를 참조하여 설명된 바와 같이, 입자 다층 자기 구조로서 금속 도전 매트릭스(33) 내의 판형의 입자들로 된 다수의 층 또는 면을 가진다. 입자(31)의 자기 모멘트는 화살표(47)로 도시한 것과 같이 유도 이방성 축을 따라 부분적으로 방향이 정해질(partially oriented) 수 있다. 이방성 축은 공지된 바와 같이 원하는 이방성 축의 방향으로 자계를 가한 상태로 제2 어닐링 싸이클을 수행함으로써 MR 감지 소자에 유도될 수 있다. 바이어스층(45)에 의해 공급된 바이어스계는 MR 센서의 작동점(operating point)을 응답 특성의 선형 부분으로 맞추기 위해 입자(31)의 모멘트를 소기의 방향으로 더 정렬한다. MR 센서(40)는 데이타 전이부(46)의 자계 H가 감지 소자(41)의 평면에 인가되도록 서스펜션 장치(도시되지 않음)에 의해 데이타 트랙(44)위에 떠있게 된다. 자계 H가 인터셉트(intercept)될 때는 자기 모멘트가 인가 자계 H와 같이 배열되도록 회전하여 감지 소자(41)의 저항이 줄게 된다. 제한된 자벽 운동으로(with limited domain wall motion) 자기 입자의 자화 회전이 일어나므로 감지 소자에 대한 길이 방향 바이어스 자계는 필요하지 않다.

이제 또한 제5도 및 제6도를 참조하면, 산화 실리콘(Si) 기판(54) 상의 Ta 하부층(55) 상에 증착된 Ag(y/2)NiFe(x/2)[NiFe(x)/Ag(y)]n-1/ NiFe(x/2)/Ag(y/ 2)의 형태를 가진 비자성 도전 재료층(53)과 강자성 재료층(51)이 번갈아 피착되어 다층 구조(50)를 이룬다. 100A Ta 캐핑(capping)층(57)은 어닐 공정중 산화를 최소화한다. 어닐 공정은 비자기재 Ag층(53)의 자기층(51)의 입자 경계에서의 침투를 촉진하여 자기층에 불연속성을 발생시킴으로써 편평한 아일랜드형 입자면을 제공한다. 따라서, 각 자기 재료층은 다중 영역(multidomain) 또는 입자 상태로 분할된다. 자기 재료층이 불연속적인 한 자기층내의 입자들 사이의 간격이 비자성 재료의 도전 전자의 평균 자유 경로보다 작기만 하면, 그 간격이 구조의 관측된 자기 저항에 큰 영향을 미치는 것 같지는 않다. 자기층(51)의 불연속성이, 특히 구조 내에서 층 간에 칼럼(column)으로 배열된다면, 불연속성은 반강자성 순서(antiferromagnetic order)를 강하게 선호하는 층간 정자기(magnetostatic)상호 작용을 촉진한다.

어닐링 전에 구조를 검사한 바로는 MR은 거의 관찰되지 않았다. 제6도에 도시된 바와 같이, Ag(20Å)/[NiFe(20Å)/Ag(40Å)]₄/NiFE(20Å)/Ag(20Å)형태의 NiFe로 된 5개층을 포함하는 구조에서 MR은 주로 어닐링 후에 생성되고 5-6 퍼센트의 크기이다. 인가된 자계는 구조면 방향이며, 감지 전류에 수직이다. 화살표(58)는 자계의 램핑(ramping) 방향을 나타낸다. 피착된 대로의 구조 저항은 섭씨 300-400도 범위의 소정의 온도에서 어닐링한 후에 약 15퍼센트 만큼 감소하며, 어떤 어닐된 구조에 대해서도 저항이 크게 다르지는 않다. 감지 전류 방향에 수평 및 수직으로 인가되는 자계에 대한 MR의 크기 차이는 비어닐된 구조 및 어닐된 구조 양쪽 모두에서 약 0.3-0.5 퍼센트의 크기인 지속적인 AMR 효과를 나타낸다. 제6도에 도시된 구조에 대해 5.34 퍼센트의 최대 MR이 22 Oe의 반 최대치 폭으로 섭씨 335도에서 어닐링 후에 관찰된다. 섭씨 315도에서 어닐될 때, MR의 최대 값은 더 낮지만, 반 최대치 폭이 약 5 Oe이고 Oe당 0.8 퍼센트로서 단위 자계당 저항 변화가 가장 큰 것이 관찰이었다.

이제 제7도 및 제8도를 참조하면, 제7도는 산화 Si기판에 스퍼터 피착되고, 섭씨 310도에서 어닐된 NiFe(20Å)/Ag(40Å)의 세개의 이중층으로 구성된 입자 다층 구조 (제2도에 도시)에 대해 관찰된 MR을 인가 자계의 함수로서 설명하는 도면이다. 구조의 MR은 인가 자계에서의 구조 비저항(resistivity) R(H) 빼기 200 Oe의 인가 자계에서의 구조 비저항 R(MIN)의, R(MIN)에 대한 비율로서 정의된다. 본 구조는 하드(hard) 축을 따라 인가되는 자계에 대해 약 3.0 퍼센트의 MR 최대치를 나타내고 이때 커브(52)가 약 10 Oe의 반 높이 폭을 가진다. 유사하게, 본 구조는 용이(easy) 축을 따라 인가되는 자계에 대해 약 2.7 퍼센트의 MR 최대치를 나타내고 커브(54)가 약 7 Oe의 반 높이 폭을 가진다. 제8도는 산화 Si 기판상에 있으며, 섭씨 315도의 온도에서 어닐된 5개의 NiFe(20Å)/Ag(35Å) 이중층으로 구성되어 있는 입자 다층 구조(30)에 대해 관찰된 MR을 나타내는 도면이다. 이 구조는 약 3.4 퍼센트의 최대 MR 값을 나타내고, 이때 MR 커브의 반 높이 폭이 약 4.75 Oe이며 기울기가 Oe당 0.71 퍼센트이다.

이제 제9도 내지 제12도를 참조하면, 입자 다층 구조(30)에 대하여 얻어진 MR 값은 강자성층과 비자성층으로써 선택된 재료 이외에 여러 요소에 의해 결정된다. 예를 들어 자기/비자기 이중층의 수, 강자성층의 두께, 그리고 구조(30)가 어닐되는 온도 모두가 특정한 구조에 대해 얻을 수 있는 MR 특징에 영향을 미친다. 제9도는 산화 Si 기판에 증착된 Ag(txÅ)/NiFe(20Å)의 5개의 이중층으로 구성된 입자 구조에 대해 MR 값 대 어닐 온도를 비자성층 두께의 함수로서 설명하는도면이다. 일반적으로, 소정의 비자성층 두께에 대해 약 섭시 335도의 어닐 온도에서 최대 MR을 얻을 수 있고, 35Å의 비자성층(Ag) 두께에 대해 최대 MR인 약 5.3 퍼센트를 얻을 수 있었다. 제10도는 산화 Si 기판상에 피착된 5개의 Ag(40Å)/NiFe(txÅ)의 이중층으로 구성된 입자 구조(30)에 대해 MR 값 대 어닐 온도를 강자성층 두께의 함수로서 나타내는 도면이다. 일반적으로, 소정의 두께에 대해 섭씨 315도에서 335도 사이 범위의 어닐 온도에서 최대 MR 값을 얻을 수 있었고, 최대 MR 값은 섭씨 335도에서 20Å의 강자성층(NiFe) 두께에 대해 관찰되는 약 5.3 퍼센트이다. 제11도는 산화 Si 기판에 피착된 NiFe(20Å)/Ag(40Å)의이중층으로 구성된 입자 구조에 대해 MR 값 대 강자성/비자성 이중층의 수를 설명하는 도면이다. 함수는 Ag 층에 피착된 단일의 이중층에 대해 약 2.0 퍼센트의 비교적 낮은 MR 값으로 시작하여 5개의 이중층에서 약 5.3 퍼센트로 급격히 증가하다가 10개의 이중층에 대해 약 6.1 퍼센트 값으로 일정해진다. 다수의 이중층에서 비교적 높은 MR 값이 관찰되는 것에 비해 단수의 이중층을 가진 구조에서는 낮은 MR 값이 관찰되는 것은, 도전 전자가 발생된 층의 상하층들의 입자(31)에서의 도전 전자의 분산은 같은 층 내에서 입자(31)에서의 분산보다 훨씬 더 중요하다는 것을 나타내는 것으로 보인다. 제12도는 산화 Si 기판에 피착된 NiFe(20Å)/Ag(40Å)의 5개의 이중층으로 구성된 입자 구조(30)에 대해, MR 값 대 인가된 자계를 어닐 온도의 함수로서 나타내는 도면이다. 제9도 및 제10도에 도시된 곡선에서 예상되듯이, 약 5.3 퍼센트의 MR 최대치(61)가 섭씨 335도의 어닐 온도에서 관찰된다. 그러나, 섭씨 305도의 어닐 온도에서, 관찰되는 최대 MR 값은 약 3.2 퍼센트로 더 낮지만, 반 높이 폭이 5 Oe보다 훨씬 뾰족한 특성 곡선(63)을 얻는다.

이제 또한 제13도를 참조하면 본 발명의 원리에 따라 입자 다층 감지 소자를 포함하는 MR 자기 센서가 도시되어 있다. MR 센서(70)는 적절한 기판(71)에 피착된 적당한 자기 재료로 된 바이어스층(75), 비자성 스페이서 또는 분리층(77) 및 입자 MR 감지층(79)으로 구성된다. 기판은 MR 센서를 구성하는 후속 층에 대한 지지(support)나 캐리어(carrier)로서 작용하는 주 표면(72)을 제공한다. 기판(71)은 유리, 사파이어, 수정, 산화마그네슘, 실리콘, 이산화실리콘, 또는 다른 적절한 재료일 수 있다. 하부층(underlayer, 73)이 먼저 기판 표면(72) 위에 피착된다. 하부층(73)의 목적은 후속층(75, 77 및 79)의 텍스쳐(texture), 입자 크기 및 모폴로지(morphology)를 최적화하기 위한 것이다. 하부층(73)은 전류 분로 효과(electrical current shunting effect)를 최소화하기 위해 비저항이 높아야 한다. 일반적으로, 예를 들어 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru) 또는 산화알미늄 같은 비자성이고 비저항이 높은 재료가 적절하다.

입자 MR 감지층(79)은 제2도, 제3도 및 제4도를 참조하여 위에서 설명되었듯이, 비자성 도전 매트릭스(33) 내에 매립된(embedded) 또는 부유하는 (suspended)편평한 판형의 자기 입자(31)의 복수층으로 이루어진다. 입자 구조는 비자성 재료의 얇은 층을 강자성 재료의 얇은 층과 교대로 피착하고, 그 구조를 약 섭씨 100에서 500도의 범위의 온도에서 어닐링하여 얻어진 복수의 강자성/비자성 이중층으로 구성된다. 입자 MR 감지층(79)은 바람직하게 5개 또는 6개의 이중층으로 구성되지만, MR 감지층 센서에서 사용하기에 적합한 MR 값은 최하 3개 이상의 이중층에서 얻어질 수 있다. 어닐 주기 전에 피착된 상태에서 비자성층의 두께가 약 20에서 50Å의 범위인 반면, 강자성층의 두께는 약 10에서 30Å 범위이다. 강자성층은 바람직하게는 NiFe이지만, Ni, Co, Fe같은 적절한 강자성층, 및 Ni, Fe 또는 Co에 기초한 강자성 합금일 수 있다. 매트릭스(33)는 비자성 도전 재료이며, 재료내의 도전 전자에 대해 긴 평균 자유 경로를 허용해야 한다. 또한, 강자성 재료와 매트릭스 재료는 상호 혼합이 불가능하다. 혹은 자기 및 비자기 재료는 평형 상태의 조건하에서 혼합가능하거나 부분적으로 혼합가능하게 될 수 있으며, 상호 혼합을 제한하기 위해 제어된 방식으로 가공될 수 있다. 매트릭스 재료는 바람직하게는 Ag이나 Cu, Ru, Au와 다른 도전 금속과 합금으로 구성되는 조합에서 선택될 수 있다. 적절한 반도체, 도전 산화물과 상호 금속 혼합물(intermetallic compound) 또한 잠재적으로 가능한 재료이다.

강자성 재료를 적절한 재료로 합금함으로써 층이 어닐 주기동안 입자로 쪼개어지는 것(breakup)을 증진시킬 수 있다. 예를 들어 NiFe를 1 내지 20 퍼센트의 납(Pb)으로 합금하면 Ag 매트릭스에서 NiFe 층의 쪼개짐이 증진된다. 예를 들어 Ni-Pb와 Fe-Pb는 매우 제한된 상호 용해성을 갖고 있으므로, Pb가 공정중에 NiFe 입자 경계에 집중되어 NiFe층의 쪼개짐을 촉진하여, 낮은 공정 온돌ㄹ 이용할 수 있게 하는 것 같다. NiFePb를 낮은 공정 온도에서 사용함으로써 NiFe와의 용해율이 고온에서보다 저온에서 낮은 Cu같은 다른 재료를 매트릭스 재료로서 이용하는 것을 가능하다.

바이어스층(75)은 센서에 대한 선형 응답을 제공하기 위해 MR 감지층(79)에 대해 바이어스 자계를 제공한다. 공지된 바와 같이 바이어스층은 예를 들어 CoPt나 CoPtCr 같은 자기 강성 재료(magnetically hard material) (강성 바이어스)나 예를 들어 NiFe나 NiFeRh 같은 자기 연성 재료(magnetically soft material)(연성 바이어스)로 이루어질 수 있다. 스페이서층(77)은 바이어스층(75)을 MR 감지층(79)로부터 자기적으로 분리하고, 또한 MR 감지층(79)의 텍스쳐, 입자 크기, 모폴로지(morphology)를 최적화하는 기능을 한다. 스페이서층(77)은 Ta, Zr, Ti, y, Hf 또는 소기의 결정 구조를 가진 다른 적절한 재료와 같은 비자성 고 비저항 재료여야 한다.

MR 센서(70)의 바람직한 실시예는 섭씨 315도에서 어닐된 NiFe(20Å)/Ag(35Å)의 5개의 이중층으로 된 입자 MR 감지층(79)과 Al₂O₃의 하부층(73)에 피착되고, 약 50Å의 두께를 가진 Ta 스페이서층(77)에 의해 MR 감지층(79)로부터 분리되는 NiFe 연성 바이어스층(75)으로 구성된다. 센서(70)는 공지된 바와 같이 스퍼터 피착이나 다른 적절한 피착 공정에 의해 세라믹 기판(71)에 증착된다. NiFe 연성 바이어스층(75) 두께가 100Å인 반면, 하부층(73)의 두께는 바람직하게는 50 내지 100Å의 범위에 있다. 센서(70)의 대향 단부(opposing ends)에 형성된 Cu나 또는 Ag나 Au같은 적절한 재료로 된 도체 단자(81)는 리드(lead) 도체(87)를 통해 센서를 전류원(85)과 신호 감지 회로(83)에 연결한다. 전류원(85)은 외부 자계가 인가될 때(예를 들어, 제4도에 관하여 전술된 바와 같이), MR 감지 소자(79)의 저항 변화를 감지하는 MR 센서(70)에 감지 전류를 공급한다. 예를 들어 Ta나 Zr같은 고 비저항 재료로 된 캐핑층(도시되지 않음)도 MR 센서(70) 위에 피착될 수 있다.

본 발명이 특히 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 형태나 상세한 부분에서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 통상의 기술자들은 이해할 것이다. 예를 들어, 도시된 바람직한 실시예는 비차폐(unshielded) 장치인 것으로 설명되지만 본 발명의 MR 센서는 차폐 또는 플럭스 유도 구조(shielded or jlux-guided structure)에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재된 발명은 예시적인 것으로만 간주되어야 하며, 그 범위는 첨부된 청구범위에 명시된 바에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims

입자 다층 자기 저항 센서에 있어서, (a) N개-N은 적어도 2임-의 적층된 이중층(stacked bilayers)을 포함하는 자기 저항감지 소자(magnetoresistive sensing element)와, (b) 상기 자기 저항 감지 소자에 자기 바이어스계(magnetic bias field)를 공급하기 위한 자기 재료로 이루어진 바이어스층과, (c) 상기 바이어스층과 상기 자기 저항 감지 소자 사이에 배치되어 상기 바이어스층을 상기 자기 저항 감지 소자로부터 자기적으로 분리하는(magnetically decoupling) 비자성 재료로 이루어진 스페이서층(spacer layer)을 포함하고 상기 각각의 이중층은 (a1) 비자성 도전 재료에 매되어 있는(embedded) 강자성 재료(ferromagnetic material)의 불연속적인 편원 형태의 입자의 층(layer of discrete oblate particles)과, (a2) 상기 강자성 입자와 접촉하고 있는 비자성 도전 재료층(nonmagnetic, electrically conductive material)을 포함하고, 상기 강자성 입자는 상기 비자성 도전 재료에 의해 서로 분리되어 있고, 상기 강자성 입자 사이에 있고 상기 강자성 입자층과 접촉하는 층내에 있는 비자성 도전 재료는 상기 강자성 입자 사이에 연속적인 도전 경로(electrical conducting path)를 제공하는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 재료 및 상기 비자성 재료는 혼합될 수 없는(immiscible) 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 이중층 내의 상기 강자성 입자층은 상기 이중층 내의 상기 비자성 도전층(nonmagnetic conductive layers)에 의해 상기 비자성 도전층의 도전 전자(conduction electrons)의 평균 자유 경로 길이(mean free lath length)보다 작은 두께만큼 분리되어 있는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 이중층 내의 상기 강자성 입자층을 분리하고 있는 상기 이중층 내의 상기 각각의 비자성 도전층의 두께는 약 10 옹스트롬(Angstroms) 내지 50 용스트롬 범위 내인 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 이중층 내의 상기 강자성 입자층을 분리하고 있는 상기 이중층 내의 상기 각각의 비자성 도전층의 두께는 약 35 옹스트롬(Angstroms)인 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 수 N이 3에서 10까지의 범위 내에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제6항에 있어서, 상기 수 N이 5인 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 입자가 철, 코발트, 니켈, 니켈-철 및 철, 코발트, 니켈 또는 니켈-철에 기초한 강자성 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 강자성 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제8항에 있어서, 상기 강자성 입자가 니켈-철로 이루어진 입자 다층자기 저항 센서.
제8항에 있어서, 상기 강자성 입자가 니켈-철-코발트로 이루어진 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 입자가 니켈-철-납으로 이루어진 입자 다층 자기 저항 센서.
제11항에 있어서, 상기 니켈-철-납 합금에 포함된 납의 양이0.1 내지 20 중량% 내의 범위에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 입자가 니켈-철-은으로 이루어진 입자 다층 자기 저항 센서.
제13항에 있어서, 상기 니켈-철-은 합금에 포함된 은의 양이 1내지 20 중량%의 범위에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 비자성 도전층(nonmagnetic electrically conductive layer)이 은, 금, 구리와 루테늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진 입자 다층 자기 저항 센서.
제15항에 있어서, 상기 비자성 도전층이 은으로 이루어진 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이어스층이 상기 자기 바이어그계를 제공하기 위한 자기 연성 재표(magnetically soft material)층을 포함하는 입자 다층 자기 저항 센서.
제17항에 있어서, 상기 자기 연성 재표층이 니켈-철과 니켈-철-로듐(rhodium)으로 구성된 군으로부터 선택된 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 바이어스 충이 상기 자기 바이어스계를 제공하기 위한 자기 강성 재료(magnetically hard material)층으로 구성되는 입자 다층자기 저항 센서.
제19항에 있어서, 상기 자기 강성 재료가 코발트-백금과 코발트-백금-크로늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 입자는 약 10 옹스트롬에서 약 30 옹스트롬 사이의 범위 내의 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 강자성 입자가 약 20 옹스트롬의 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 이중층 내의 상기 강자성 입자층은 상기 비자성 도전 재료내의 도전 전자의 평균 자유 경로 길이보다 짧은 거리만큼 분리되어 있는 입자 다층 자기 저항 센서.
제1항에 있어서, 상기 스페이서층이 탄탈륨(tantalum), 지르코늄(zirconium), 티타늄(titanium), 이트륨(yttrium) 및 하프늄(hafnium)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제24항에 있어서, 상기 스페이서층이 탄탈륨으로 구성된는 입자층 자기 저항센서.
입자 다층 자기 저항 센서에 있어서, 기판과, 상기 기판의 주 표면(major surface)에 피착된 분리층(isolation layer)과, 자기 저항 감지 소자에 자기 바이어스계를 제공하기 위한, 상기 분리층에 피착된 자기 재료의 바이어스층을 포함하고, 상기 자기 저항 감지 소자는 상기 바이어스층에 피착되어 있고 적어도 3개의 적층 이중층(three stacked bilayers)으로 구성되며, 상기 각각의 이중층은 (a1) 구리, 은, 금 및 그 합금으로 구성된 군에서 선택되는 비자성 도전 재료에 매립되어 있고(embedded) 상기 비자성 도전 재료에 의해 분리되어 있는 강자성 재료의 불연속적인 편평한 입자의 층(layer of discrete flat particles)과, (a2) 상기 강자성 입자와 접촉하고 있으며 구리, 은, 금 및 그 합금으로 구성된 군에서 선택되는 비자성 도전 재료층을 포함하며, 상기 강자성 입자 사이에 있는, 그리고 상기 강자성 입자층과 접촉하는 층내에 있는 비자성 도전 재료는 상기 강자성 입자간에 연속적인 도전 경로를 제공하고, 상기 입자 다층 자기 저항 센서는, 상기 바이어스층에 피착되고, 상기 바이어스층을 상기 자기 저항 감지 소자로부터 자기적으로 분리하기 위해 상기 바이어스층과 상기 자기 저항 감지 소자 사이에 배치된 비자성 재료 스페이서층을 더 포함하는 입자 다층 자기 저항 센서.
제26항에 있어서, 상기 강자성 입자는 철, 코발트, 니켈, 니켈-철과, 철, 코발트, 니켈, 또는 니켈-철에 기초한 강자성 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 강자성 재료로 구성된 입자 다층 자기 저항 센서.
제27항에 있어서, 상기 강자성 입자는 니켈-철로 구성된 입자 다층 자기 저항 센서.
제26항에 있어서, 상기 바이어스층은 상기 바이어스계를 제공하기 위한 자기 연성 재료층으로 구성된 입자 다층 자기 저항 센서.
제29항에 있어서, 상기 자기 연성 재료는 니켈-철과 니켈-철-로듐으로 구성된 군에서 선택되는 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법에 있어서, 적절한 기판위에 비자성 도전 재료의 제1층과 강자성 재료의 제2층을 포함하는 복수의 이중층을 피착(deposition)하는 단계와, 상기 단계에 의해 얻어지는 다층 장치를 어닐링(anealing)하는 단계를 포함하고, 상기 강자성 재료의 각각의 제2층은 상기 어닐링 주기(anealing cycle)동안 복수개의 강자성 입자로 쪼개어지며, 상기 제1층의 상기 비자성 도전 재료가 상기 강자성 입자들 사이로 흘러들어가 상기 강자성 입자들을 둘러 싸는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 비자성 도전 재료와 상기 강자성 재료는 혼합 불가능한(immiscible) 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 강자성 입자가 상기 각 층 내에서, 상기 비자성 도전 재료 내의 도전 전자에 대한 평균 자유 경로보다 작게 이격된 일반적으로 편평한 디스크형 입자인 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 이중층의 수가 2∼10개의 이중층 범위에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제34항에 있어서, 상기 이중층의 수가 5인 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 어닐링은 섭씨 100∼500도의 범위에서 선택되는 온도에서 수행되는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 강자성 재료의 제2층이 철, 코발트, 니켈, 니켈-철과, 철, 코발크, 니켈, 또는 니켈-철에 기초한 강자성 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제37항에 있어서, 상기 강자성 재료의 제2층이 니켈-철로 구성된 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제37항에 있어서, 상기 강자성 재료의 제2층이 니켈-철-납으로 구성된 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제39항에 있어서, 상기 니켈-철-납-합금에 포함된 납의 양이 0.1 내지 20 중량% 내의 범위에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제37항에 있어서, 상기 강자성 재료의 제2층이 니켈-철-은으로 구성된 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제41항에 있어서, 상기 니켈-철-은 합금에 포함된 은의 양이 0.1 내지 20 중량% 내의 범위에서 선택되는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 강자성 재료의 제2층이 약 10∼30 옹스트롬의 범위에서 선택되는 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제26항에 있어서, 상기 강자성 입자는 약 10 옹스트롬에서 약 30 옹스트롬 사이의 범위 내의 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 센서.
제44항에 있어서, 상기 강자성 입자가 약 20 옹스트롬의 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 센서.
제26항에 있어서, 상기 적층 이중층 내의 상기 각각의 강자성 입자층간의 분리는 상기 비자성 도전 재료내의 도전 전자의 평균 자유 경로 길이보다 짧은 입자 다층 자기 저항 센서.
제26항에 있어서, 상기 적층 이중층 내의 상기 각각의 강자성 입자층간의 분리는 약 10 옹스트롬에서 약 30 옹스트롬 사이의 범위 내인 입자 다층 자기 저항 센서.
제47항에 있어서, 상기 적층 이중층 내의 상기 각각의 강자성 입자층간의 분리는 약 35 옹스트롬인 입자 다층 자기 저항 센서.
제26항에 있어서, 상기 스페이서층이 탄탈륨(tantalum), 지르코늄(zirconium), 티타늄(titanium), 이트륨(yttrium) 및 하프늄(hafnium)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제49항에 있어서, 상기 스페이서층이 탄탈륨으로 구성되는 입자 다층 자기 저항 센서.
제31항에 있어서, 상기 비자성 도전 재료의 제1층이 약 20∼50 옹스트롬의 범위에서 선택된 두께를 갖는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 어닐링 단계가 상기 다층 장치의 길이 방향축(longitudinal axis) 방향의 인가 자계 하에서 상기 다층 장치를 어닐링하는 단계를 포함하는 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 비자성 도전 재료는 은, 금, 구리 및 루테늄으로 구성된 군으로부터 선택된 재료인 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.
제53항에 있어서, 상기 비자성 도전 재료는 은인 입자 다층 자기 저항 장치의 제조 방법.