KR100250960B1 - 감지 전류장을 이용하여 고정층 및 자유층의 자화 방향을 설정하는 스핀 밸브 센서 - Google Patents

감지 전류장을 이용하여 고정층 및 자유층의 자화 방향을 설정하는 스핀 밸브 센서 Download PDF

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Abstract

자화 방향을 설정하기 위하여 반강자성층을 필요로 하지 않는 자기 바이어스 자기 저항성 (MR) 스핀 밸브 센서가 제공된다. 비자성 전기 전도 스페이서층이 강자성 자유층 및 고정층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 제1 및 제2 리드가 스핀 밸브 센서에 연결되어 그를 통해 전류를 흐르게 한다. 자유층과 고정층 사이의 자기적 결합으로 인하여, 감지 전류가 흐를 때 제1 방향을 향하고 서로 평행인 자유층과 고정층에 강자성 결합장 HFC가 유도된다. 감지 전류가 흐를 때 고정층에서 자유층으로 스트레이 감자장 HDEMAG가 유도된다. 제1 플럭스 가이드가 ABS에 있는 층들의 제1 에지에 자기적으로 결합되어 있고 제2 플럭스 가이드가 ABS에서 떨어져 있는 자유층의 제2 에지에 자기적으로 결합되어 있으므로 자유층에 대한 감자장 HDEMAG의 영향이 최소화되거나 바람직하게는 영으로 된다. 스핀 밸브 센서를 통해 흐르는 감지 전류로 인하여 고정층으로부터의 감지 전류장이 자유층 상의 강자성 결합과 평형을 이루고 자유층으로부터의 감지 전류장이 고정층 상의 강자성 결합에 더해진다. 따라서, 자유층의 자기 모멘트는 회전 자기 디스크로부터의 장 신호의 영향에 따라 자유롭게 회전하고 고정층의 자기 모멘트는 ABS에 수직인 선정된 방향으로 고정된다.

Description

감지 전류장을 이용하여 고정층 및 자유층의 자화 방향을 설정하는 스핀 밸브 센서
본 발명은 고정층(pinned layer)의 자화 방향(magnetization)을 고정하기 위해 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 사용하지 않고 그 대신에 감지 전류(sense current)로부터 발생하는 자기장을 이용하여 고정층의 자화 방향을 고정하고 자유층의 자화 방향의 바이어스를 제거하는(unbias) 자기 바이어스 자기 저항성 스핀 밸브 센서(self-biasing magnetoresistive spin valve sensor)에 관한 것이다.
스핀 밸브 센서는 자기 디스크나 자기 테입과 같은 가동성 자기 매체 상의 자기장을 감지하기 위해 판독 헤드에 의해 사용되는 자기 저항성 (MR) 센서의 일종이다. 스핀 밸브 센서는 제1 및 제2 강자성층(ferromagnetic layers) 사이에 샌드위치형으로 삽입된(sandwiched) 비자성 전도층(non-magnetic conduction layer)을 포함하는데, 이하에서는 이를 스페이서층(spacer layer)이라 부르기로 한다. 제1 리드와 제2 리드가 스핀 밸브 센서에 연결되어 감지 전류(sense current)가 흐를 수 있도록 해준다. 제1 강자성층의 자화 방향은 제2 강자성층의 자화 방향에 대해 90도 방향으로 고정되어(pinned) 있고, 제2 강자성층의 자화 방향은 외부의 자기장에 자유롭게 응답한다. 스페이서층의 두께는 센서를 지나가는 전도 전자(conduction electron)의 평균 자유 경로(mean free path) 이하로 선택된다. 이러한 구성에 따르면, 전도 전자의 일부는 스페이서층이 고정층 및 자유층과 접하는 경계면(interfaces)에 의해 산란된다(scattered). 고정층과 자유층의 자화 방향이 서로 평행인 경우 산란(scattering)이 최소가 된다. 고정층과 자유층의 자화 방향이 서로 반대인(antiparallel) 경우 산란이 최대가 된다. 산란의 결과로 스핀 밸브 센서의 저항이 cosθ - θ 는 고정층과 자유층의 자화 방향 사이의 각- 에 비례하여 변화한다. 스핀 밸브 센서는 이방성 자기 저항(anisotropic magnetoresistive: AMR) 센서보다 상당히 더 큰 자기 저항 계수(magnetoresistive coefficient)를 갖는다. 이런 이유로 이를 대형 자기 저항(giant magnetoresistive: GMR) 센서라고 부르기도 한다.
전형적으로 스핀 밸브 판독 헤드(spin valve read head)와 유도성 기록 헤드(inductive write head)를 결합하여 결합 헤드(combined head)를 구성할 수 있다. 결합 헤드는 병합 헤드(merged head) 또는 피기백 헤드(piggyback head)의 구조를 가질 수 있다. 병합 헤드에서는, 제2 차폐부가 판독 헤드에 대한 차폐부(shield)로서의 역할과 기록 헤드에 대한 제1 극편(the first pole piece)로서의 역할을 한다. 피기백 헤드는 기록 헤드에 대해 제1 극편으로의 역할을 하는 별도의 층이 있다. 자기 디스크 드라이브에서 결합 헤드의 에어 베어링 표면(air bearing surface: ABS)은 디스크에 정보를 기록하고 디스크로부터 정보를 판독하기 위해 회전 디스크(rotating disk)에 인접하도록 지지된다. 기록 헤드의 제1 극편과 제2 극편 사이의 간극(gap)을 가로지르는 자기장에 의해 회전 디스크에 정보가 기록된다. 판독 모드에서는, 스핀 밸브 센서의 저항이 회전 디스크로부터의 자기장 세기에 비례하여 변화한다. 감지 전류가 스핀 밸브 센서를 통해 흐르면, 저항 변화는 전위 변화를 일으키고 이 전위 변화가 검출되고 처리되어 재생 신호가 된다.
고정층의 자화 방향은 전형적으로 반강자성층(antiferromagnetic layer)과의 교환 결합(exchange coupling)을 통해 고정된다. 반강자성층은 FeMn, NiMn 및 NiO를 포함하는 재료군으로부터 형성될 수 있다. 이러한 재료의 차단 온도(blocking temperatures)는 160。에서 200。의 범위 내에 있다. 차단 온도란 재료 내의 자기 스핀이 방위(orientation)를 잃는 온도를 말한다. 반강자성층의 차단 온도를 넘으면 반강자성층의 스핀은 방위를 잃어 제1 강자성층이 더 이상 고정되지 않게 한다. 유감스럽게도, 디스크 드라이브의 제조, 검사 또는 작동 도중에 정전 방전 (electrostatic discharge: EDS) 또는 정전 과도 응력 (electrostatic overstress: EOS)에 의해 상술한 차단 온도를 쉽게 넘어 갈 수 있다. EDS는 스핀 밸브 센서를 파괴할 수 있고, 반면 EOS는 스핀 밸브 센서의 효율을 떨어뜨린다. 종래 기술에 따른 반강자성층의 다른 하나의 문제점은 감지 전류의 일부를 분류하여(shunt) 센서의 효율을 저하시킨다는 것이다.
본 발명의 목적은 고정층의 자기 모멘트(magnetic moment)를 고정하기 위하여 반강자성층을 사용할 필요가 없는 자기 바이어스 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 감지 전류로부터 발생하는 자기장을 사용하여 고정층과 자유층의 자화 방향을 설정하는 자기 바이어스 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 감지 전류의 분류(shuntting)를 최소화하여 감도(sensitivity)를 향상시키는 자기 바이어스 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기타의 목적과 부수적 장점은 이하의 상세한 설명과 도면에 의해 명백해질 것이다.
도 1은 자기 디스크 드라이브의 평면도.
도 2는 도 1을 II-II면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 3은 도 1의 자기 디스크 드라이브의 측면도.
도 4는 도 2를 IV-IV면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 5는 종래 기술의 스핀 밸브 센서를 도시하는 도면.
도 6은 도 5를 VI-VI면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 스핀 밸브 센서의 하나의 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 도 7를 VIII-VIII면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 9는 도 8에 도시된 스핀 밸브 센서의 고정층, 자유층 및 스페이서층을 리드 및 플럭스 가이드 없이 확대하여 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 다른 하나의 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 도 10를 XI-XI면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 12는 도 11에 도시된 스핀 밸브 센서의 여러 층을 리드 및 플럭스 가이드 없이 확대하여 도시한 도면.
도 13은 자화 용이축(easy axes)의 방향을 도시하는 스핀 밸브 센서의 고정층 및 자유층의 확대도.
도 14는 자화 용이축의 방향을 도시하는 스핀 밸브 센서의 고정층 및 자유층의 확대도.
도 15는 상이한 구성의 리드 연결을 갖는 도 10 및 도 11의 MR 센서의 ABS쪽을 바라보는 평행 단면도.
도 16은 본 발명의 하나의 실시예를 위에서 본 도면.
도 17은 도 16을 XVII-XVII면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 18은 도 16을 XVIII-XVIII면을 따라 절취하여 도시한 도면.
도 19은 도 16을 XIX-XIX면을 따라 절취하여 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
52 : 스핀 밸브 MR 센서
64 : 코일층
66, 68, 70 : 제1, 제2, 제3 절연층
72, 74 : 제1, 제2 극편층
140 : 스핀 밸브 센서
142 : 자유층
144 : 고정층
146 : 스페이서층
112, 114 : 제1, 제2 리드
116 : 공간
158, 169 : 제1, 제2 플럭스 가이드
170 : 스핀 밸브 센서
172, 174 : 제1, 제2 코발트층
본 발명은 반강자성층을 갖지 않는 자기 저항성 (MR) 스핀 밸브 센서를 개시한다. 스핀 밸브 센서는 감지 전류로부터 발생하는 자기장에 따라 제1 반강자성층을 고정하고 제2 반강자성층의 자화 방향의 바이어스를 제거한다. 감지 전류로부터 발생하는 자기장은 고정층 및 자유층을 통하여 전도된다. 고정층과 스페이서층을 통하여 전도되는 감지 전류의 일부는 자유층 상에 감지 전류장(sense current field)을 유도하고, 자유층과 스페이서층을 통하여 전도되는 감지 전류의 일부는 고정층 상에 감지 전류장을 유도한다. 따라서, 본 발명은 자기 바이어스 MR 스핀 밸브 센서를 제공한다. 그러나, 이러한 기법은 우선 고정층에 의해 자유층 상에 유도된 감자장(demagnetization field)을 고려하지 않으면 잘 들어맞지 않을 것이다. 센서가 제1 차폐층(the first shield layer)과 제2 차폐층 사이의 중앙에 있는 경우 고정층으로부터 자유층 상에 유도되는 감자장은 대략 51 Oe 정도이다. 스핀 밸브 센서에 대한 전형적인 감지 전류는 6 mA이고 이는 10-12 Oe의 감지 전류장을 생성한다. 따라서, 감지 전류장은 자유층 상에 유도되는 감자장을 소멸시키기에 충분하지 않다.
본 발명은 ABS에 평행인 스핀 밸브의 제1 및 제2 에지(edges)에 인접한 제1 및 제2 플럭스 가이드(flux guides)를 사용한다. 따라서, 제1 플럭스 가이드는 ABS의 일부를 형성할 것이고, 스핀 밸브 센서는 제1 플럭스 가이드의 위에 있고 제2 플럭스 가이드는 스핀 밸브 센서의 위에 있게 된다. 플럭스 가이드는 고정층의 바닥 (ABS)과 위쪽 에지에서의 자극 강도(magnetic pole strength)를 감소시키고, 따라서 이에 의해 생성되는 감자장을 거의 영으로 감소시킨다. 고려해야할 기타의 자기장은 단지 고정층과 자유층 사이의 강자성 결합장(ferromagnetic coupling field)이다. 이 강자성 결합장은 대략 10-12 Oe이고 감지 전류장과 거의 비슷한 크기이다. 따라서, 감지 전류의 방향을 선택함으로써, 자유층으로부터의 감지 전류장은 고정층의 강자성 결합장에 더해져 고정층을 고정시키고, 고정층으로부터의 감지 전류장은 자유층 상의 강자장(ferromagnetic field)과 평형을 이루어(counterbalance) 자유층이 회전 디스크로부터의 자기장 신호의 영향 하에서 자유롭게 회전하도록 한다. 본 발명은 원하는 결과를 달성하기 위해 고정층, 스페이서층 및 자유층의 두께를 변화시키거나 감지 전류의 양을 선택하는 등 다양한 기법을 사용한다.
도 1, 도 2, 및 도 3에는 자기 디스크 드라이브(30)가 도시되어 있는데, 도면에서 같은 도면 부호는 같은 또는 유사한 부분을 지칭하도록 사용되고 있다. 드라이브(30)는 자기 디스크(34)를 지지하고 회전시키는 스핀들(32)을 포함한다. 스핀들(32)은 모터(36)에 의해 회전되고, 모터(36)는 모터 제어기(38)에 의해 제어된다. 기록 및 판독을 하기 위한 병합 MR 헤드인 자기 헤드(40)는 슬라이더(slider)(42) 상에 장착되어 있고, 슬라이더(42)는 서스펜션(suspension)(43)과 액츄에이터 아암(actuator arm)(44)에 의해 지지되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 대용량의 직접 액세스 기억 장치(direct access storage device: DASD)에서는 복수개의 디스크, 슬라이더, 서스펜션이 사용될 수도 있다. 서스펜션(43)과 액츄에이터 아암(44)은 슬라이더(42)의 위치를 조정하여 자기 헤드(40)가 자기 디스크(34)의 표면과 변환 관계(transducing relationship)에 있도록 한다. 디스크(34)가 모터(36)에 의해 회전될 때 슬라이더는 에어 베어링 표면(ABS)(46)에 의해 얇은(thin) (전형적으로 0.075μm) 공기 쿠션 (에어 베어링) 상에 지지되어 있다. 자기 헤드(40)는 디스크 표면의 다수의 원형 트랙(circular tracks)에 정보를 기록하고 이로부터 정보를 판독하는 데에 이용된다. 처리 회로(48)는 상기 정보를 나타내는 신호를 헤드(40)와 교환하고, 슬라이더(42)를 다양한 트랙으로 이동시키기 위하여 모터 구동 신호와 제어 신호를 제공한다.
도 4는 기록 헤드부(write head portion)와 판독 헤드부를 포함하는 병합 MR 헤드(50)의 측단면 입면도인데, 여기서 판독 헤드부는 본 발명에 따른 스핀 밸브 MR 센서(spin valve MR sensor)(52)를 이용하고 있다. MR 센서(52)는 제1 간극층(54)과 제2 간극층(56) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고, 제1 간극층(54) 및 제2 간극층(56)은 제1 차폐층(58)과 제2 차폐층(60) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 외부 자기장에 응답하여 MR 센서(52)의 저항이 변화한다. 센서를 통해 흐르는 감지 전류로 인해 이러한 저항의 변화는 전위의 변화로 나타난다. 이러한 전위 변화는 도 3에 도시된 처리 회로(48)에 의해 처리된다.
헤드의 기록 헤드부는 제1 절연층(66)과 제2 절연층(68) 사이에 삽입되어 있는 코일층(64)을 포함한다. 제3 절연층(70)이 코일층(64)에 의해 야기된 제2 절연층 내의 리플(ripple)을 제거하기 위해 헤드를 평탄화(planarize)하는 데 이용될 수 있다. 코일층(64)과 제1, 제2 및 제3 절연층(66, 68 및 70)은 제1 극편층(72)과 제2 극편층(74) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 제1 극편층(72) 및 제2 극편층(74)은 ABS에서 기록 간극층(write gap layer)(76)에 의해 분리되어 있고 ABS로부터 떨어져 있는 후면 간극(back gap) (도시되지 않음)에서 자기적으로 결합되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 땜납 접속부(solder connection)(80) 및 제2 땜납 접속부(82)는 MR 센서(52)로부터의 리드 (도시되지 않음)를 서스펜션(43) 상의 리드 (도시되지 않음)와 연결하고, 제3 땜납 접속부(84) 및 제4 땜납 접속부(86)은 코일(64)로부터의 리드 (도시되지 않음)를 서스펜션(43) 상의 리드 (도시되지 않음)와 연결한다.
도 5은, 자유층(102)과 고정층(104)인 제1 강자성층 및 제2 강자성층을 포함하는 종래의 자기 저항성 (MR) 스핀 밸브 센서의 실시예(100)를 도시하고 있다. 비자성 전기 전도 스페이서층(106)이 자유층(102)과 고정층(104) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 반강자성층(AFM층)(108)의 막 표면은 고정층의 막 표면과 접하고 따라서 고정층(104)의 자화 방향(110)은 반강자성층(108)과의 교환 결합에 의해, 선정된 방향, 예를 들어 ABS에 수직인 방향으로 고정된다. 자유층(102)의 자화 방향(111)은 회전 디스크로부터의 자기장 신호의 영향 하에서 자유롭게 회전할 수 있다. 자유층(102)과 고정층(104)은 전형적으로 펌알로이(permalloy: NiFe)로 제조되고 스페이서층(106)은 전형적으로 구리로 제조된다. 반강자성층(108)은 NiMn과 FeMn의 그룹 중에서 선택된 재료로 제조된다. 제1 리드(112) 및 제2 리드(114)는 공간(space)(116)을 사이에 두고 센서(100)에 전기적으로 연결되어 있는데, 리드 사이의 공간은 스핀 밸브 센서를 사용하는 판독 헤드의 트랙 폭(track width) 뿐만 아니라 MR 센서의 활성 영역(active region)을 정의한다. 스핀 밸브 센서를 통해 흐르는 감지 전류(Is)를 제공하기 위한 감지 전류원(sense current source)(118)이 제1 리드(112) 및 제2 리드(114)에 전기적으로 연결되어 있다. 감지 전류원(118)과 병렬로 연결되어 있는 감지 회로(120)는 도 1에 도시된 회전 디스크(34)에 의해 스핀 밸브 센서로 자기장 신호가 유도될 때 스핀 밸브 센서(100)를 가로지르는 전위차를 감지한다. 감지 전류원(118)과 감지 회로(120)는 도 3의 처리 회로(48)의 일부이다.
자유층, 고정층, 스페이서층 및 반강자성층(102, 104, 106, 108) 각각을 통해 제1 리드(112)와 제2 리드(114) 사이의 감지 전류 중 일부가 흐른다. 스핀 밸브 센서의 동작에서 중요한 요소는 스페이서층(106)의 두께가 제1 리드(112)와 제2 리드(14) 사이로 흐르는 전도 전자의 평균 자유 경로보다 얇아야 된다는 것이다. 자유층(102)의 자화 방향(111)과 고정층(104)의 자화 방향(110) 사이의 상대각에 따라 변하는 전자 산란의 정도(the degree of electron scattering)에 의해 감지 전류 Is에 대한 MR 센서의 저항이 결정된다. 두 층의 자화 방향(110, 111)이 반대일 때 산란이 최대이고 이에 따라 저항 증가가 최대가 되며, 두 층의 자화(110, 111) 방향이 서로 평행일 때 산란이 최소이고 이에 따라 저항 변화가 최소가 된다. 자유층(102)의 자화 방향(111)는 전형적으로 ABS에 평행인 방향이고 따라서 회전 디스크로부터 양의 자기장 신호와 음의 자기장 신호를 수신하면 자화 방향(111)이 위 또는 아래로 회전하여 센서의 저항을 증가시키거나 감소시킨다. 고정층(104)의 자화 방향(110)이 위가 아니라 아래를 향하는 경우는 이와 반대가 된다.
스페이서층(106)은 얇고 경계면이 거칠기(rough) 때문에 도 6의 124에서 도시하는 바와 같이 고정층(104)에 의해 자유층(102) 상에 강자성 결합(ferromagnetic coupling) HFC가 유도된다. 감지 전류가 흐를 때 자유층(102)에 작용하는 또 다른 장은 고정층(104)으로부터의 감자장인데, 도 6의 126에서 도시하는 바와 같이 고정층은 자유층 상에 유도 감자장 HDEMAG를 생기게 한다. 이 감자장은 도 4에 도시된 바와 같이 스핀 밸브 센서가 제1 차폐층(58)과 제2 차폐층(60) 사이의 중앙에 위치할 때 전형적으로 51 Oe정도의 크기이다. 자유층(102), 고정층(104) 및 스페이서층(106)의 두께와 감지 전류 IS의 양을 적절히 제어하여 전술한 자기장들(124 및 126)이 서로 평형을 이루게 함으로써 도5에 도시된 바와 같이 자유층의 자기 모멘트(111)가 ABS에 평행이 되도록 할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 종래의 스핀 밸브 센서(100)의 문제점 중의 하나는 반강자성층(108)이 160。에서 200。 사이의 차단 온도를 갖는다는 것이다. 자기 디스크 드라이브의 스핀 밸브 센서를 제조, 검사 또는 작동하는 도중에 반강자성층(108)의 차단 온도를 넘어갈 수 있어, 정전 방전 (EDS)에 의해 스핀 밸브 센서를 파괴하거나, 또는 정전 과도 응력 (EOS)에 의해 스핀 밸브 센서의 효율을 떨어뜨린다. 종래 기술에 따른 반강자성층(108)의 또 다른 하나의 문제점은 감지 전류의 일부를 분류하여 스핀 밸브 센서의 효율을 저하시킨다는 것이다.
도 7에 본 발명에 따른 스핀 밸브 센서(140)의 제1 실시예가 도시되어 있다. 자기 스스로 바이어스를 제공하는(self biasing) 이 스핀 밸브 센서는 도 5에 도시된 바와 같이 반강자성층을 사용하지 않는다. 이하에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 고정층과 자유층의 자화 방향은 감지 전류 Is에 의하여 이 층들로부터 발생하는 감지 전류장에 의해 설정된다. 센서(140)은 제1 및 제2 강자성층을 포함하는데, 이는 각각 자유층(142)과 고정층(144)이다. 비자성 전기 전도 스페이서층(146)이 자유층(142)과 고정층(144) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 고정층(144)의 자화 방향(147)은 ABS에 대하여 수직으로 고정되어 있고, 자유층(142)의 자화 방향(149)은 ABS에 평행한 방향이며 그로부터 어떤 방향으로도 자유롭게 회전할 수 있다. 리드(112) 및 리드(114)가 사이에 공간을 두고 센서에 전기적으로 결합되어 있는데, 이 공간(116)은 센서의 활성 영역 및 센서를 사용하는 판독 헤드의 트랙폭을 정의한다.
도 8에는 자유층(142) 및 고정층(144) 상에 유도되는 강자성 결합장 HFC(148 및 150)이 도시되어 있는데, 이는 스페이서층(146)이 얇고 층 사이의 경계면이 거칠기 때문에 상호 강자성 결합에 의해 유도되는 것이다. 강자성 결합장 HFC는 자유층(142)과 고정층(144) 각각에 대해 위를 향하는 방향으로 도시되어 있다. 만일 고정층의 자기 모멘트(147)가 반대 방향이면 이러한 강자성 결합장 HFC도 반대 방향이 된다는 점을 이해하여야 한다. 이제 감지 전류 Is가 센서(140)을 통해 선택된 방향으로 전도될 수 있는데, 이는 화살표(152)의 후단부에 의해 종이 속으로 들어가는 것으로 도시되어 있다. 감지 전류의 일부는 고정층(144)를 통해 종이 안쪽 방향으로 전도되어 자유층(142) 상에 감지 전류장(154)을 생기게 하고, 감지 전류의 일부는 자유층(142)를 통해 종이 안쪽 방향으로 전도되어 고정층(144)에 감지 전류장(156)이 유도되게 한다. 감지 전류장(154)와 감지 전류장(156)은 서로 반대 방향을 향한다는 점을 주의하여야 한다. 감지 전류장(156)이 강자성 결합장(150)에 더해져 고정층(144)의 자화 방향(147)을 ABS에 수직으로 위를 향하게 고정한다. 자유층(142)로 유도되는 감지 전류장(154)은 강자성 결합장(148)과 반대 방향이다. 감지 전류의 양이 강자성 결합장(148)에 평형을 이루어 자유층의 자화 방향(149)는 도 9에 도시된 바와 같이 회전 디스크로부터의 자기장 신호에 따라 위 아래로 자유롭게 회전한다.
강자성 결합장(148 및 150)은 10 내지 12 Oe 정도의 작은 크기이다. 마찬가지로, 자유층(142)과 고정층(144)로부터 발생하는 감지 전류장(154 및 156)도 10 내지 12 Oe 정도이다. 감지 전류 Is를 증가시켜 도 6에 도시된 바와 같이 감자장 HDEMAG(126)을 소거하기에 충분한 정도의 감지 전류장을 생기게 하는 것은 비실용적이다. 본 발명은 대략 ABS에 평행인 평면을 따라 층(142, 146 및 144)의 하단 및 상단 에지에 연결된 제1 및 제2 플럭스 가이드(158 및 160)을 제공하여 고정층(144)로부터 자유층(142) 상에 생기는 감자장 HDEMAG의 영향을 없애는 것이다.플럭스 가이드는 하부 (ABS) 및 상부 에지의 자극편을 소거하여 실용적으로 고정 막 감자장(pinned film demagnetization field)을 제거한다. 만일 플럭스 가이드(158 및 160)이 없다면, 고정층(144)는 자유층(142)에 도 6에 도시된 방법과 동일한 방법으로 51 Oe 정도의 감자장 HDEMAG을 유도할 것이다.스핀 밸브 센서에서 감자장 HDEMAG을 극복하기에 충분한 양의 감지 전류장이 생성되지 않으므로 본 발명은 플럭스 가이드(158 및 160)이 없다면 작동하지 않을 것이다. 감지 전류의 분류를 방지하기 위해, 도 9에 도시된 바와 같이, 플럭스 가이드(158) 및 층들의 하부 에지 사이와 플럭스 가이드(164) 및 층들의 상부 에지 사이에 제1 및 제2 절연층(162 및 164)가 샌드위치형으로 삽입된다. 만일 플럭스 가이드가 저항이 매우 큰 재료로 만들어진다면, 절연층(162 및 164)는 생략될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 스핀 밸브 센서(170)의 다른 하나의 실시예를 도시하고 있다. 스핀 밸브 센서(170)은 제1 및 제2 코발트층(covalt layers)(172 및 174)를 가지고 있다는 점에서 도 7에 도시된 스핀 밸브 센서(140)와는 다르다. 코발트층(172)는 자유층(142)와 스페이서층(146) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고, 코발트층(174)는 고정층(144)와 스페이서층(146) 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있다. 코발트층(172 및 174)는 5Å 내지 10Å 정도의 두께를 갖는데, 그 결과로 스핀 밸브 센서의 MR 계수가 50% 정도 증가한다. 도 8의 실시예와 동일한 방법으로, 고정층(144)로부터의 감지 전류장(154)는 강자성 결합장(148)에 평형을 이루어 자유층의 자화 방향(149)는 도 12에 도시된 바와 같이 회전 디스크로부터의 자기장 신호에 따라 위 아래로 자유롭게 회전한다. 또한, 자유층(142)에 의해 고정층(144)로 유도되는 감지 전류장(156)은 강자성 결합장(150)에 더해져 고정층의 자화 방향(147)을 도 12에 도시된 바와 같이 위쪽 방향으로 고정시킨다. 감지 전류의 방향이 반대라면 상기 모든 실시예에서의 자화 방향이 반대가 된다는 점을 이해하여야 한다. 본 발명은 스핀 밸브 센서를 통해 전류가 어느 방향으로 흐르는 경우라도 포함한다.
도 15 및 도 16에 도시된, 실시예(170)의 변형 실시예(180)은 도 10 및 도 11의 스핀 밸브 센서의 ABS 쪽을 바라보는 측면 단면도이다. 실시예(180)은 층(142, 144, 146, 172 및 174)의 두개의 수직 방향 측면 에지에 연결되어 있는 제1 및 제2 리드(182 및 184)를 포함한다. 이러한 형식의 연결을 연속 접합(contiguous junction)이라고 한다.
<예시>
도 7 및 도 8에 도시된 스핀 밸브 센서(140)의 실시예는 고정층(144) 두께의 두배인 두께를 갖는 자유층(142)을 포함한다. 자유층(142)의 두께는 100Å일 수 있고, 고정층(146)의 두께는 50Å일 수 있으며, 스페이서층(146)의 두께는 25Å일 수 있다. 스핀 밸브 센서(140)을 통해 흐르는 감지 전류 IS는 6mA일 수 있다. 절연층(162 및 164) 사이의 층(142, 144 및 146)의 높이는 1μm일 수 있다. 이러한 구성에서, 강자성 결합장(148 및 156)은 각각 12 Oe 정도일 수 있다. 감지 전류장(154 및 156)은 10 내지 12 Oe 정도가 될 것이다. 따라서, 강자성 결합장(150) 및 감지 전류장(156)은 더해져서 대략 24 Oe의 강도로 고정층(144)의 자화 방향(147)을 결정하는데 작용할 것이다. 강자성 결합장(148)과 감지 전류장(154)은 대략 같으므로, 이는 서로 평형을 이루어 자유층의 자화 방향(149)는 도 7에 도시된 바와 같이 상하로 자유로이 회전할 것이다. 감지 전류장 HI는 [HI= 2πIS÷높이]라는 공식을 따르는데, 여기서 IS는 유도층(inducing layer)을 통해 흐르는 감지 전류의 일부를 밀리암페어 단위로 나타낸 것이고, 높이는 유도층의 높이를 미크론(micron) 단위로 나타낸 것이다. 이 공식은 스핀 밸브 센서가 도 4에 도시된 제1 차폐부(58)과 제2 차폐부(60) 사이의 중앙에 위치하고 있다고 가정한 것이다. 회전 디스크로부터의 자기장 신호가 층(142, 146 및 144)에 도달하기 전에 제1 및 제2 차폐층에서 소멸되지 않도록 ABS에서의 하면 플럭스 가이드(158)는 0.5μm 정도의 작은 높이를 가져야 한다는 점이 중요하다.
몇몇 실시예에 있어서는, 자유층(142) 및 고정층(144)의 자화 용이축을 도 13에 도시된 바와 같이 ABS에 평행인 방향으로 하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에 있어서는, 자유층(142) 및 고정층(144)의 자화 용이축을 도 14에 도시된 바와 같이 ABS에 수직인 방향으로 하는 것이 바람직할 수도 있다. 도 13 및 도 14의 실시예에 있어서, 두 층의 자화 용이축이 동시에 설정될 수 있으므로 제조 공정은 더욱 간단할 것이다. 자유층(142) 및 고정층(144)의 재료는 펌알로이이고. 스페이서층(146)의 재료는 구리일 수 있다.
도 16 내지 도 19는 본 발명의 각 실시예의 제조 단계를 설명하기 위한 여러 도면이다. 첫 번째 단계는 쉬트(sheet) 형태의 웨이퍼 (도시되지 않음) 상에 스핀 밸브 재료(190)을 증착하는 것인데, 여기서 쉬트 재료는 Ta/NiFe/Co/Cu/Co/NiFe/Ta를 포함할 수 있다. 사진 리프트-오프 절차(photographic lift-off process) (도시되지 않음)를 사용하면, 리드(192 및 194)가 증착되어야할 영역은 밀링된 철(iron milled away)일 수 있어, 리드 재료가 그곳에 증착될 수 있다. 이는 도 17에 도시된 바와 같이 스핀 밸브(190)과 함께 연속 접합을 형성한다. 다시 사진 리프트-오프 절차를 사용하면, 플럭스 가이드(196 및 198)이 증착되어야할 영역이 밀링되고, 절연층(200) 및 플럭스 가이드(196 및 198)이 증착된다. 리드(192 및 194)가 위치하는 영역 내에서는 절연층(200)이 리드(192 및 194)를 플럭스 가이드(196)으로부터 절연한다.
위와 같은 내용을 토대로 본 기술 분야의 당업자에 의해 본 발명의 다른 실시예와 변형이 가능하다는 것이 명백하다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구 범위에 의해서만 한정되고, 명세서와 첨부한 도면을 참조하여 볼 때 위와 같은 다양한 실시예와 변형을 포함한다.
본 발명에 따르면 반강자성층을 사용하지 않고도 고정층의 자기 모멘트를 고정하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면 감지 전류로부터 발생하는 자기장을 사용하여 고정층과 자유층의 자화 방향을 설정하는 것이 가능하다. 그밖에도, 본 발명에 따르면 감지 전류의 분류를 최소화하여 감도를 향상시키는 것이 가능하다.

Claims (25)

  1. 에어 베어링 표면 (ABS)를 갖는 자기 헤드용 자기 바이어스 자기 저항성 (MR) 스핀 밸브 센서(a self-biasing magnetoresistive (MR) spin valve sensor)에 있어서,
    제1 및 제2 강자성층과 상기 제1 및 제2 강자성층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 비자성 전도 스페이서층 - 상기 제1 및 제2 강자성층과 스페이스층의 각각은 상기 ABS에 대략적으로 평행한 제1 및 제2 에지와 상기 ABS에 대략적으로 수직인 제3 및 제4 에지를 가짐 - 과,
    상기 스페이서층과 상기 제1 및 제2 강자성층 각각의 상기 제3 및 제4 에지에 전기적으로 연결되어 감지 전류를 흐르게 하는 제1 및 제2 리드와,
    제1 및 제2 플럭스 가이드
    를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 강자성층은 상기 제1 및 제2 강자성층의 각각 내에서 강자성 결합장 (HFC)이 생성되도록 자기적으로 결합되어 있고, 상기 제2 강자성층은 상기 제1 강자성층으로 유도된 스트레이 감자장(stray demagnetization demagnetization dield) HDEMAG를 가지며, 상기 제1 플럭스 가이드는 상기 층들의 제1 에지에 자기적으로 결합되고 상기 제2 플럭스 가이드는 상기 층들의 제2 에지에 자기적으로 결합되어 상기 감지 전류가 흐를 때 상기 제1 강자성층으로부터 발생하는 감지 전류장이 상기 제2 강자성층 내의 상기 강자성 결합장을 보충하여 상기 제2 강자성층의 자기 방향을 고정하고 상기 제2 강자성층으로부터 발생하는 감지 전류장이 상기 제1 강자성층 내의 상기 강자성 결합장을 방해하여 상기 제1 강자성층의 자화 방향이 인가된 장(applied field)의 영향 하에서 자유롭게 회전할 수 있을 정도로 상기 유도된 스트레이 감자장 HDEMAG을 감소시키는 자기 바이어스 자기 저항성 (MR) 스핀 밸브 센서.
  2. 제1항의 상기 MR 스핀 밸브 센서를 포함하는 MR 판독 헤드에 있어서,
    제1 및 제2 간극층과,
    제1 칭 제2 차폐층
    을 포함하고,
    상기 MR 센서는 상기 제1 및 제2 간극층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고, 상기 제1 및 제2 간극층은 상기 제1 및 제2 차폐층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 판독 헤드.
  3. 제2항의 상기 MR 판독 헤드를 포함하는 MR 판독 헤드와 유도성 기록 헤드의 결합 헤드에 있어서,
    절연 스택(insulation stack)에 매립된 유도성 코일(inductivw coil)과,
    제1 및 제2 극편 - 상기 절연 스택과 상기 유도성 코일은 상기 제1 및 제2 극편 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있음 - 과,
    제3 간극층
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 극편은 에어 베어링 표면에서 상기 제3 간극층에 의해 분리되어 있는 결합 헤드.
  4. 제3항의 상기 결합 헤드를 포함하는 자기 디스크 드라이브에 있어서,
    프레임과,
    상기 프레임 상에서 회전 가능하도록 지지되는 자기 디스크와,
    상기 결합 헤드가 상기 자기 디스크와 변환 관계에 있도록 상기 결합 헤드를 지지하는 상기 프레임 상에 장착되어 있는 지지부와,
    상기 자기 디스크를 회전시키기 위한 수단과,
    상기 지지부에 연결되어 상기 자기 디스크에 대하여 복수의 위치로 상기 헤드를 이동시키기 위한 배치 수단(positioning means)과,
    상기 헤드, 상기 자기 디스크를 회전시키기 위한 수단 및 상기 배치 수단에 연결되어 상기 결합 헤드와 신호를 교환하고 상기 자기 디스크의 이동을 제어하며 상기 결합 헤드의 위치를 제어하기 위한 수단
    을 포함하는 자기 디스크 드라이브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 리드에 연결되어 감지 전류를 상기 제1 및 제2 강자성층과 상기 스페이서층을 통해 선택된 방향으로 전도시키기 위한 감지 전류 수단(sense current means)을 포함하고,
    상기 선택된 방향은 상기 감지 전류가 상기 제1 강자성층 내에서 감지 전류장 HI을 유도하여 강자성 결합장 HFC로부터 감해지도록 하고 상기 제2 강자성층 내에서 감지 전류장 HI을 유도하여 강자성 결합장 HFC에 더해지도록 하는 MR 스핀 밸브 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플럭스 가이드가 상기 제1 및 제2 강자성층의 상기 제1 및 제2 에지와 자기적으로 결합하여 상기 제2 강자성층의 스트레이 감자장 HDEMAG으로부터 상기 제1 강자성층으로 유도되는 장을 거의 영으로 감소시키는 MR 스핀 밸브 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 코발트층을 포함하고,
    상기 제1 코발트층은 상기 제1 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제2 코발트층은 상기 제2 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 스핀 밸브 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성층의 각각은 자신의 제1 및 제2 막 표면(film surfaces) 사이의 두께를 갖고,
    상기 제1 강자성층의 두께는 상기 제2 강자성층의 두께보다 두꺼운 MR 스핀 밸브 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 강자성층의 두께는 대략 상기 제2 강자성층의 두께의 두배인 MR 스핀 밸브 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성층의 각각은 자화 용이축을 포함하고,
    상기 제1 강자성층의 상기 자화 용이축은 대략 상기 ABS에 평행인 방향이고, 상기 제2 강자성층의 상기 자화 용이축은 대략 상기 ABS에 수직인 방향인 MR 스핀 밸브 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 절연층을 포함하고,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 플럭스 가이드와 상기 제1 강자성층의 상기 제1 에지 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고, 상기 제2 절연층은 상기 제2 플럭스 가이드와 상기 제1 강자성층의 상기 제2 에지 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 스핀 밸브 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    제1 및 제2 코발트층을 포함하고, 상기 제1 코발트층은 상기 제1 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제2 코발트층은 상기 제2 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 스핀 밸브 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 강자성층의 두께는 대략 100Å이고, 상기 제2 강자성층의 두께는 대략 50Å이며, 상기 스페이서층의 두께는 대략 25Å이고, 상기 감지 전류는 대략 6mA인 MR 스핀 밸브 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 플럭스 가이드는 상기 ABS 및 상기 제1 강자성층의 상기 제1 에지 사이의 대략 0.5μm인 높이를 갖는 MR 스핀 밸브 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성층과 스페이서층을 통해 감지 전류를 전도시키기 위한 감지 전류 수단을 포함하고, 상기 제1 강자성층을 통해 흐르는 상기 감지 전류는 상기 제2 강자성층 상에 상기 제1 방향으로 감지 전류장 HI를 유도하여 상기 제2 강자성층 내의 상기 강자성 결합장 HFC와 상기 감지 전류장 HI가 더해지도록 하고, 상기 제2 강자성층을 통해 흐르는 상기 감지 전류는 상기 제1 강자성층 상에 상기 제1 방향에 반대 방향으로 감지 전류장 HI를 유도하여 상기 제1 강자성층 내의 상기 강자성 결합장 HFC와 상기 감지 전류장 HI가 감해지도록 하는 MR 스핀 밸브 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플럭스 가이드와 상기 제1 및 제2 강자성층의 제1 및 제2 에지의 상기 자기 결합은 상기 제2 강자성층의 상기 스트레이 감자장 HDEMAG으로부터 상기 제1 강자성층으로 유도되는 상기 장을 거의 영으로 감소시키는 MR 스핀 밸브 센서.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 및 제2 코발트층을 포함하고,
    상기 제1 코발트층은 상기 제1 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제2 코발트층은 상기 제2 강자성층과 상기 스페이서층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 스핀 밸브 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성층의 각각은 두께를 갖고,
    상기 제1 강자성층의 두께는 상기 제2 강자성층의 두께보다 두꺼운 MR 스핀 밸브 센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2 강자성층의 각각은 자화 용이축을 갖고,
    상기 제1 강자성층의 상기 자화 용이축은 대략 ABS에 평행인 방향이고 상기 제2 강자성층의 상기 자화 용이축은 대략 ABS에 수직인 방향인 MR 스핀 밸브 센서.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 및 제2 절연층을 포함하고,
    상기 제1 절연층은 상기 제1 플럭스 가이드와 상기 강자성층의 상기 제1 에지 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제2 절연층은 상기 제2 플럭스 가이드와 상기 제1 강자성층의 상기 제2 에지 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 스핀 밸브 센서.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 강자성층의 두께는 대략 상기 제2 강자성층의 두께의 두배인 MR 스핀 밸브 센서.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강자성층의 각각은 NiFe를 포함하고, 상기 스페이서층은 구리를 포함하며, 상기 제1 강자성층의 두께는 대략 100Å이고, 상기 제2 강자성층의 두께는 대략 50Å이며, 상기 스페이서층의 두께는 대략 25Å이고, 상기 감지 전류는 대략 6mA인 MR 스핀 밸브 센서.
  23. 제22항의 상기 MR 스핀 밸브 센서를 포함하는 MR 판독 헤드에 있어서,
    제1 및 제2 간극층과,
    제1 칭 제2 차폐층
    을 포함하고,
    상기 MR 스핀 밸브 센서는 상기 제1 및 제2 간극층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제1 및 제2 간극층은 상기 제1 및 제2 차폐층 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있는 MR 판독 헤드.
  24. 제23항의 상기 MR 판독 헤드를 포함하는 MR 판독 헤드 및 유도성 기록 헤드의 결합 헤드에 있어서,
    절연 스택에 매립된 유도성 코일과,
    제1 및 제2 극편과,
    제3 간극층
    을 포함하고,
    상기 절연 스택과 상기 유도성 코일은 상기 제1 및 제2 극편 사이에 샌드위치형으로 삽입되어 있고 상기 제1 및 제2 극편은 에어 베어링 표면에서 상기 제3 간극층에 의해 분리되어 있는 결합 헤드.
  25. 제24항의 상기 결합 헤드를 포함하는 자기 디스크 드라이브에 있어서,
    프레임과,
    상기 프레임 상에서 회전 가능하도록 지지되는 자기 디스크와,
    상기 결합 헤드가 상기 자기 디스크와 변환 관계에 있도록 상기 결합 헤드를 지지하는 상기 프레임 상에 장착되어 있는 지지부와,
    상기 자기 디스크를 회전시키기 위한 수단과,
    상기 지지부에 연결되어 상기 자기 디스크에 대하여 복수의 위치로 상기 헤드를 이동시키기 위한 배치 수단과,
    상기 헤드, 상기 자기 디스크를 회전시키기 위한 수단 및 상기 배치 수단에 연결되어 상기 결합 헤드와 신호를 교환하고 상기 자기 디스크의 이동을 제어하며 상기 결합 헤드의 위치를 제어하기 위한 수단
    을 포함하는 자기 디스크 드라이브.
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