KR100268197B1 - 개선된 내구성 및 정전기 방전 보호를 위해 경질 절연체상의 실리콘으로 제조된 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리 및 그 제조 방법 - Google Patents

개선된 내구성 및 정전기 방전 보호를 위해 경질 절연체상의 실리콘으로 제조된 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경질(硬質) 전기 절연 기판(hard electrically insulating substrate) 상에 형성되며 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)를 가지는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리(magnetoresistive read/inductive write magnetic head assembly)를 개시한다. 상기 어셈블리는 바람직하게는 사파이어(sapphire) 또는 알루미나-TiC로 형성된 경질 전기 절연 기판; 기판 상에 형성된 다수의 알루미나층; 알루미나층들 사이에 위치된 자기저항 판독/유도 기록 헤드; 기판에 의해 지지되는 실리콘층; 및 정전기 방전 보호를 헤드에 제공하기 위하여 실리콘층 내에 집적되어 상기 자기저항 판독/유도 기록 헤드와 상호접속된 반도체 회로를 포함한다. 실리콘층이 사파이어로서 구현되는 경우, 실리콘층은 기판 상에서 에피택셜 방식으로 성장(epitaxially grown)될 수 있거나, 또는 알루미나-TiC로서 구현되는 경우는 기판에 본딩(bonding)될 수 있다. 경질 전기 절연 기판 및 알루미나층들은 일반적으로 균일한 랩핑(lapping) 및 에칭 특성, 및 뛰어난 내구성(durability)을 갖는 경질 공기 베어링 표면(hard air bearing surface)을 어셈블리에 제공한다.

Description

개선된 내구성 및 정전기 방전 보호를 위해 경질 절연체 상의 실리콘으로 제조된 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리 및 그 제조 방법
본 발명은 자기 디스크 드라이브에 관한 것으로, 특히 경질(硬質) 전기 절연 기판에 부착된 실리콘층 내에 집적된 반도체 회로에 의해 정전기 방전으로부터 보호되는 자기저항 판독 센서(magnetoresistive read sensor)를 사용하며 또 경질 공기 베어링 표면을 추가적으로 갖는 판독/기록 변환기(transducer)에 관한 것이다.
자기 헤드 디스크 드라이브 시스템은 컴퓨터 산업계에서 가격 경쟁력 있는(cost effective) 데이터 저장 방법으로 광범위하게 채용되어 왔다. 자기 디스크 드라이브 시스템에서는 디스크 형태의 자기 기록 매체가 고속으로 회전하는 동안 자기 헤드라고 불리우는 자기 판독/기입 변환기가 회전하는 디스크의 표면보다 약간 높은 위치에서 "비행(flying)"한다. 자기 디스크는 스핀들 드라이브 모터(spindle drive motor)에 의해 회전된다. 자기 헤드는 액츄에이터 암(actuator arm)이라고 알려진 스프링이 장착된 지지 암(spring-loaded support arm) 상에서 디스크 상부에 지지된 "슬라이더(slider)"에 부착되거나 또는 이에 통합되어 형성된다. 자기 디스크가 동작 속도(operating speed)로 회전할 때, 슬라이더에 대한 물리적 설계와 관련되어 회전 디스크에 의해 발생되는 이동하는 공기(moving air)가 자기 헤드를 들어 올림으로써, 자기 헤드가 공기 베어링(air bearing)이라고 불리우는 공기 큐션 상에서 디스크 표면보다 약간 위(above and over)를 활주(gliding) 또는 "비행"하도록 한다. 디스크 표면 상부에서의 자기 헤드의 비행 높이는 통상 단지 수 마이크로인치(microinch) 이하이며, 이는 주로 디스크 회전, 슬라이더 어셈블리(slider assembly)의 공기역학적 특성(aerodynamic property), 및 스프링이 장착된 액츄에이터 암에 의해 가해지는 힘의 함수이다.
또한, "MR 헤드"로 불리우는 자기저항 센서들은 자기 변환기의 판독 소자로서 유용한데, 특히 고밀도로 데이터를 레코딩한 경우 특히 유용하다. MR 센서는 유도 판독 헤드(inductive read head)보다는 높은 출력 신호를 제공한다. 이러한 높은 출력 신호는 레코딩 채널(recording channel)에서 높은 신호-대-잡음비(signal-to-noise ratio)를 얻을 수 있게 하며, 이는 자기 디스크 표면 상에 기록된 데이터가 높은 면밀도(higher areal density)를 가질 수 있게 한다.
MR 헤드는 통상 알루미나-TiC로 된 세라믹 기판(ceramic substrate) 상에 제조된다. 그러나, 막 두께 및 스트라이프 높이(stripe height)가 감소된 결과 MR 헤드의 단면 영역이 더 감소되어 정전기 방전(electrostatic discharge: ESD) 감도(sensitivity)가 더 증가된다. 스핀 밸브 재료(spin valve material)는 반강자성체(antiferromagnet)의 낮은 차단 온도(blocking temperature)에 기인하여 고정층(pinned layer)을 고정시키는 필드가 소망값을 갖지 못하는(underpinning) 추가의 가역 오류 모드(reversible failure mode)를 정전기 방전이 일어날 때에 갖는다.
정전하(static charge)는 예를 들어 헤드 제조 및 후속 처리 동안 플라스틱과 같은 소정 재료가 사용되므로 인하여 발생될 수 있다. 이러한 전하들은 기록 매체와 마주보는 슬라이더 공기 베어링의 변환 갭(transducing gap)에 노출되어 근처에 위치되는 인접 도전층(conductive layer)과 자기 폴 팁(magnetic pole tip) 사이의 절연층 에지(edge) 양단 사이에서 아크(arc) 방전된다. 이러한 방전은 폴 팁의 부식(erosion)을 일으키고 데이터 판독 및 기록시 변환기의 열화(degradation)를 야기한다.
상술한 바와 같이, MR 센서가 ESD에 노출될 때, 또는 정규 동작 조건 하에서의 경우보다 훨씬 큰 전압 또는 전류(전기적 과부하(electrical overstress) 또는 EOS라 함)가 입력될 때, MR 센서 및 헤드의 다른 부분들이 손상(damage)을 입을 수 있다. 이러한 전기적 손상에 대한 민감한 특성은 MR 판독 센서의 물리적 크기가 작기 때문에 MR 판독 센서에 대해서 특히 치명적이다. 예를 들어, 극히 높은 고밀도 레코딩에 사용되는 MR 센서는 100 Å × 1.0 ㎛ 이하인 단면을 갖는다. 저항과 같은 역할을 하는 상기와 같이 물리적으로 작은 센서를 통해 단지 수 V의 전압이 방전되어도 MR 센서에 큰 손상 또는 완전 파괴를 가할 수 있는 전류를 발생시키기에 충분하다. MR 센서가 겪을 수 있는 손상은 본질적으로 광범위한데, 이에는 용융(melting) 및 증발(evaporation)을 통한 센서의 완전한 파괴, 공기 베어링 표면의 오염, 전기적 브레이크다운(breakdown)을 통한 단락(short) 발생, 및 헤드 성능이 열화될 수 있는 가벼운 손상 형태가 포함될 수 있다. MR 헤드에 대한 이러한 형태의 손상은 제조 과정 동안 및 동작 도중 양자 모두에서 발생하는 것으로 알려져 있으며, 이는 MR 판독 센서를 합체(incorporating)하는 자기 헤드의 제조 및 핸들링(handling)시 심각한 문제를 발생시킨다.
박막(thin film) 유도 판독/기록 헤드와 관련된 정전기 방전(ESD) 문제들은 상세히 알려져 있으며, 또 몇몇 해결안들이 제시되어 있다. Elser 등의 미국 특허 제 4,317,149호는 정전기 방전(static electric discharge)이 슬라이더 공기 베어링 표면의 민감한 폴 팁 및 갭 영역으로부터 이동된(displaced) 영역 내에서 발생할 수 있도록 절연층 내에 형성된 리세스(recess) 내에 도전성 재료를 증착시킴으로써 형성된 짧은 방전 경로(discharge path)를 갖는 유도 헤드를 개시한다. Schwartz 등의 미국 특허 제 4,800,454호는 형성된 임의의 정전기 전하의 방전을 허용하기 위해 자기 폴 피스(magnetic pole piece) 및 유도 코일 권선(inductive coil winding)들이 슬라이더에 결합된 유도 헤드 어셈블리를 개시한다. 권선은 높은 순방향(forward) 및 역방향(reverse) 전압 강하(voltage drop)를 갖는 다이오드 또는 가용성 링크(fusible link)를 통하여 슬라이더 본체에 접속된다.
미국 특허 제 5,465,186호는 자기 판독/기록 변환기를 자기 저장 시스템의 제조 및 조립(assembling) 과정 동안 전기적 과부하 및 정전기 방전 효과로부터 보호하기 위한 방법을 개시하고 있다. 자기저항(MR) 센서 소자의 도전성 리드(conductive lead)들은 MR 소자를 바이패스(bypass)시키고 또 정전기 전하의 방전 동안 MR 센싱 소자를 통한 전류를 최소화시키는 저 저항(low resistance) 도전 경로를 제공하도록 함께 단락(short)된다. MR 센서 리드 종단 패드(lead terminal pad)들도 역시 납땜(soldering)에 의해 단락된다. 또한, MR 자기 차폐(magnetic shield), 유도 코일 및 유도 자기 요크 구조물(yoke structure)과 같은 다른 변환기 소자들도 슬라이더 표면에서 리드 종단 패드와 함께 납땜됨으로써 MR 센서 리드에 역시 단락된다. 경우에 따라서, MR 종단을 함께 단락시키는데 꼬인 도전체 쌍(twisted conductor pair)이 사용될 수 있다. 또한, 역방향으로 접속된 다이오드 쌍(reversed diode pair)과 같은 원격 위치된 보호 장치(protective device)가 꼬인 도전체 쌍을 사용하여 MR 센서 소자 양단에 역시 접속될 수 있다. 단락은 MR 헤드를 자기 저장 시스템 내에서 작동하도록 배치하기 이전에 제거된다.
미국 특허 제 5,491,605호는 EOS 및 ESD로부터 자기 판독/기록 변환기를 보호하기 위한 방식을 개시한다. MR 및 유도 헤드 소자들은 MR 센서 소자를 바이패스시키고 또 정전기 전하의 방전 동안 MR 소자를 통한 전류를 최소화시키는 저 저항 도전 경로를 제공하기 위해 함께 단락되고 또한 슬라이더 기판에도 단락된다. 슬라이더 공기 베어링 표면에서 노출된 유도 폴 팁, MR 자기 차폐 소자, MR 도전 리드(MR conductive lead) 및 MR 센서 소자들은 슬라이더 공기 베어링 표면 상에 형성된 텅스텐과 같은 도전성 재료층에 의해 함께 단락되고 또한 슬라이더 기판에도 단락된다. 도전층은 헤드 소자들을 함께 단락시키고 또한 슬라이더 기판에도 단락시켜서 이에 따라 후속 핸들링 및 조립하는 동안 헤드를 ESD/EOS 손상으로부터 보호한다. 도전층은 자기 헤드를 자기 저장 시스템 내에서 작동하도록 배치하기 이전에 습식 에칭(wet etching)에 의해 제거된다.
상술한 ESD 및 EOS 보호 방식의 한가지 제한점은 납땜된 단락 또는 도전층을 제거한 후, 헤드 어셈블리가 또다른 제조 과정 및 차후 동작이 이루어지는 동안 ESD/EOS 손상에 대해 다시 취약(vulnerable)해진다는 점이다. 또한, 상기와 같은 단락 및/또는 도전층을 제거하는 것은 헤드에 손상을 가져올 수 있는 추가적인 제조 단계를 필요로 한다.
다양한 제조 과정 단계에서 MR 헤드의 테스트 가능성(testability)에 부정적인 영향(adversely affecting)을 주지 않으면서 개선된 ESD 보호를 제공하는 다이오드가 개시된다. 또한, 만일 순방향 바이어스된 다이오드의 커패시턴스(capacitance)가 최소로 유지될 수 있다면, 이들은 파일(file) 내에의 MR 헤드의 성능에 어떠한 감지 가능한 영향도 주지 않는 것으로 알려져 있다. 그러나, 알루미나-TiC 기판 상에서 제조될 수 있는 종류의 다이오드만이 "박막 다이오드(thin film diode)"로 알려져 있으며, 또 그들의 특성은 잘 알려져 있지 않다.
실리콘은 확립된 p-n 접합 다이오드 프로세스들을 잘 따르는 일반적으로 사용될 수 있는 저 비용(low cost) 재료이다. 실리콘 상에 제조된 p-n 접합 다이오드들은 순방향 바이어스 전류 및 캐리어 재결합 시간(carrier recombination time)에 비례하는 커패시턴스를 갖는다. ESD 보호는 순방향 바이어스 전류에 비례하여 요구되기 때문에, ESD 보호 레벨이 주어진 경우에는 작은 캐리어 재결합 시간이 커패시턴스를 감소시키는 유일한 파라메타(parameter)이다. 실리콘은 알루미나-TiC보다 작은 경도(hardness)를 가지며, 따라서 알루미나-TiC보다 스크래칭(scratching)되기 쉽다. 따라서, 노출된 실리콘 표면을 갖는 MR 헤드는 결과적으로 열악한(inferior) 헤드-디스크 계면(interface) 성능을 갖는다. 또한, 실리콘의 수율도(yield strength)는 알루미나-TiC보다 작다. 따라서, 실리콘 구조를 합체한 MR 헤드는 이들이 겪어야 할 다양한 제조 단계 동안 처리되는 과정에서 가로 방향(row form)으로 보다 쉽게 파손되는 경향이 있다. 또한, 동일 속도로 반응성 이온 에칭(reactive ion etching) 또는 이온-밀링(ion-milling)될 수 있기 때문에 공기 베어링 패터닝(air bearing patterning)시 실리콘 기판과 양립 가능한(compatible) 것으로 공지된 실리콘 이산화물(silicon dioxide, SiO2)과 같은 상부피복(overcoat) 재료는 공기 베어링 표면이 랩핑(lapping)될 때에 실리콘 기판 상부에서 돌출(protrude)되는 것으로 관찰되었다. 상기와 같은 돌출부(protrusion)는 하드 디스크와 접촉(hard disk contact)을 일으켜 디스크 표면 상에 스크래치(scratch)를 발생시킬 수 있다.
따라서, 잘 알려진 제조 기법을 사용하여 비용이 적게 드는 방식으로 MR 헤드 어셈블리 내에 영구적으로 통합된 ESD/EOS 보호를 갖는 MR 판독/기록 헤드 어셈블리를 제공하는 것이 요구된다.
또한, 기본적인 고체 전자 유형의 다이오드(solid-state type diodes) 형성을 지원하는 알루미나-TiC와 비교할 만한 경도 및 수율도를 갖는 기판 상에 MR 헤드를 형성하는 것이 요구된다.
또한, 표준 상부피복 재료와 호환 가능한 재료로부터 형성되며 상기 모든 재료가 유사한 랩핑 속도(lapping rate)를 갖는 MR 헤드가 역시 요구된다.
본 발명은 경질(硬質) 전기 절연 기판(hard electrically insulating substrate) 상에 형성되며 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)를 가지는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리(magnetoresistive read/inductive write magnetic head assembly)를 개시한다. 상기 어셈블리는 바람직하게는 사파이어(sapphire) 또는 알루미나-TiC(alumina-TiC)로 형성된 경질 전기 절연 기판; 기판 상에 형성된 다수의 알루미나층; 알루미나층들 사이에 위치된 자기저항 판독/유도 기록 헤드; 기판에 의해 지지되는 실리콘층; 및 어셈블리 제조 과정 동안 및 추후 동작(operation)시 정전기 방전을 흡수하기 위한 단락 회로 경로(short circuit path)를 제공하도록 실리콘층 내에 집적되어 상기 자기저항 판독/유도 기록 헤드와 상호접속된 반도체 회로를 포함한다. 실리콘층은 사파이어 상에서 에피택셜 방법으로 성장(epitaxially grown)될 수 있거나, 또는 알루미나-TiC에 본딩(bonding)될 수 있다. 경질 전기 절연 기판 및 알루미나층들은 일반적으로 균일한 랩핑(lapping) 및 에칭 특성, 및 뛰어난 내구성(durability)을 갖는 경질 공기 베어링 표면(hard air bearing surface)을 어셈블리에 제공한다.
본 발명의 다른 특징으로, 어셈블리는 경질 절연 기판(hard insulating substrate), 기판 상부에 형성된 다수의 알루미나층, 및 알루미나층들 사이에 위치된 자기저항 판독/유도 기록 헤드를 포함할 수 있으며, 이에 따라 어셈블리에 개선된 내구성을 갖는 경질 공기 베어링 표면을 제공할 수 있게 된다. 상기와 같이 개선된 내구성은 손상 위험(risk of damage)을 감소시킴으로써 제조 과정 동안 어셈블리를 핸들링 및 프로세싱하는 것을 촉진시킨다.
또한, 본 발명은 정전기 방전 보호를 가지며 또 경질 절연 기판 상에 형성된 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리를 제조하는 방법으로 설명될 수 있다. 상기 방법은 실리콘층을 기판에 부착하는 단계; 실리콘층 내에 반도체 회로를 집적하는 단계; 기판 상에 알루미나층 및 자기저항성 판독/유도 기록 헤드를 포함하는 층상 구조를 형성하는 단계; 및 반도체 구조물을 자기저항성 판독/유도 기록 헤드와 전기적으로 상호접속하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한가지 장점은 MR 헤드 어셈블리 내에 영구적으로 통합될 수 있으며 표준 포토리쏘그래픽 실리콘 프로세싱(standard photolithographic silicon processing)을 사용하여 제조될 수 있는 ESD/EOS 보호를 갖는 MR 판독/유도 기록 헤드 어셈블리를 제공한다는 점이다.
본 발명의 다른 장점은 경질 공기 베어링 표면을 갖는 MR 판독/유도 기록 헤드 어셈블리를 제공한다는 점이다.
본 발명의 상기 및 다른 장점들은 특허청구 범위를 포함하여 첨부된 도면 및 상세한 설명을 참조함으로써 쉽게 이해될 것이다.
몇몇 도면들에서는 유사한 구성소자(element)들은 유사한 참조 번호를 사용하여 참조된다.
도 1은 본 발명을 구현하는 자기 디스크 저장 시스템의 간략화된 블록도.
도 2 및 도 3은 자기저항 판독/유도 기록 헤드의 단면도.
도 4는 공기 베어링 표면을 나타내는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드의 투시도.
도 5는 실리콘층 내에 집적된 다이오드를 나타내는 도 4의 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리의 평면도.
도 6은 도 5의 A-A를 따라 취해진 자기저항 판독/유도 기록 헤드의 단면도.
도 7은 도 5의 B-B를 따라 취해진 자기저항 판독/유도 기록 헤드의 단면도.
도 8은 경질 전기 절연 기판 상부에 위치된 실리콘 기판 도시도.
도 9는 경질 전기 절연 기판에 본딩된 실리콘층 도시도.
도 10은 경질 전기 절연 기판에 본딩된 실리콘층 내에 집적된 반도체 회로를 포함하는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리의 예시도.
도 11은 실리콘층에 본딩된 경질 전기 절연 기판 상에 형성된 MR 헤드를 포함하는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드의 예시도.
도 12는 제 1 차폐 소자(shield element) 및 자기저항 센서(magnetoresistive sensor) 양단에 상호접속된 다이오드를 도시하는 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 자기 디스크 저장 시스템
12 : 회전 가능한 자기 디스크
13 : 슬라이더
14 : 스핀들
15 : 서스펜션
18 : 드라이브 모터
19 : 액츄에이터 암
21 : 자기 판독/기록 변환기(헤드)
22 : 디스크 표면
23 : 드라이브 모터 제어 신호
25 : 레코딩 채널
27 : VCM
28 : 위치 제어 신호
29 : 제어 유닛
30 : MR 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리
33 : 제 1 차폐 소자
34 : 기록 표면
35 : MR 센싱 소자
37 : 제 2 차폐 소자
도 1을 참조하면, 본 발명은 자기 디스크 저장 시스템 (10) 내에 구현되는 것으로 설명된다. 그러나, 본 발명은 자기 테이프 저장 시스템과 같은 다른 유형의 자기 레코딩 시스템, 또는 자계(magnetic field)를 검출하기 위해 자기저항(MR) 센서가 사용되는 다른 유형의 시스템 내에서도 역시 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 자기 디스크 저장 시스템은 스핀들 (14) 상에 지지되고 상부에 위치되는 최소한 하나의 슬라이더 (13)를 가지며 디스크 드라이브 모터 (18)에 의해 회전되는 최소한 하나의 회전 가능한 자기 디스크 (12)를 포함한다. 각각의 슬라이더 (13)은 역시 MR 판독/유도 기록 헤드 또는 간단히 MR 판독/기록 헤드로 불리우는 하나 이상의 자기 판독/기록 변환기 (21)을 지지한다. 각각의 디스크 (12) 상의 자기 기록 매체는 동심(同心) 데이터 트랙의 환상(環狀)(annular) 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 디스크 (12)가 회전할 때, 슬라이더 (13)은 디스크 표면 (22) 상에서 방사상으로 앞뒤로(radially in and out) 움직여 헤드 (21)이 소망 데이터가 기록된 또는 기록될 디스크 (12)의 상이한 부분을 액세싱(accessing)할 수 있도록 한다. 각각의 슬라이더 (13)은 서스펜션(suspension) (15)에 의해 액츄에이터 암(19)에 부착된다. 서스펜션 (15)는 슬라이더 (13)을 디스크 표면 (22)에 대하여 바이어싱(biasing)시키는 스프링력(spring force)을 제공한다. 각각의 액츄에이터 암 (19)는 예를 들어, 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)와 같은 액츄에이터 시스템 (27)에 부착된다. VCM은 고정 자계 내에서 이동 가능한 코일을 포함한다. VCM의 코일 이동 방향 및 속도들은 제어 유닛 (29)에 의해 제공되는 위치 제어 신호 (28)에 의해 제어된다.
디스크 저장 시스템 (10)이 동작되는 동안, 디스크 (12)의 회전은 슬라이더 상에서 상방향(上方向) 힘 또는 리프트(lift)를 가하는 공기 베어링을 슬라이더 (13)과 디스크 표면 (22) 사이에 발생시킨다. 공기 베어링은 서스펜션 (15)의 스프링력과 균형(counterbalancing)을 유지하여, 동작 중에 슬라이더 (13)을 일반적으로 약 1.0 내지 2.0 마이크로인치 범위 내에 속하는 작고 실질적으로 일정한 간격(spacing)만큼 디스크 표면 (22) 약간 상부에 떠 있도록 지지한다.
디스크 저장 시스템의 다양한 구성소자(component)들은 동작시 액세스 제어 신호 및 내부 클럭 신호와 같은 제어 유닛 (29)에 의해 발생된 제어 신호에 의해 제어된다. 통상, 제어 유닛 (29)는 로직 제어 회로, 저장 수단(storage means) 및 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 유닛 (29)는 드라이브 모터 제어 신호 (23) 및 위치 제어 신호 (28)을 발생한다. 위치 제어 신호 (28)은 선택된 슬라이더 (13)을 관련 디스크 (12) 상의 소망 데이터 트랙으로 최적으로 이동 및 위치시키기 위한 전류 프로파일(current profile)을 제공한다. 드라이브 모터 제어 신호 (23)은 디스크 (12)를 회전시키는 디스크 드라이브 모터 (18)을 제어한다. 판독 및 기록 신호들은 레코딩 채널 (25)에 의해 판독/기록 헤드 (21)과 양방향으로 통신된다.
통상의 자기 디스크 저장 시스템 (10) 및 첨부된 도 1에 대한 상기 설명은 예시적인 목적만을 위한 것이다. 디스크 저장 시스템은 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 또 각각의 액츄에이터들은 다수의 슬라이더를 지지할 수 있다는 것이 명백하다.
도 2 및 도 3은 디스크 (32)의 기록 표면 (34) 약간 상부에 그 기록 표면과 마주보는 관계로 헤드 공기 베어링 표면 (45)(air bearing surface: ABS)가 배치되도록 회전 자기 레코딩 디스크 (32)와 변환 관계(transducing relationship)를 갖는 MR 판독/유도 기록 헤드 어셈블리 (30)(이하에서는 "MR 판독/기록 헤드"라 함)의 단면도를 각각 나타낸다. MR 판독/기록 헤드 (30)은 통상적으로 슬라이더 (13)의 트레일링 종단(trailing end)(도시되지 않음)을 형성하는 경질(硬質) 전기 절연 기판 (31)의 표면 상에서 서로 인접하여 형성된 MR 판독 어셈블리 및 유도 기록 어셈블리를 포함한다. "경질(硬質)" 기판은 약 10 내지 40 기가파스칼(GigaPascal: GPa) 범위에 속하는 경도를 갖는 재료로 형성된 기판을 말하는 것으로 바람직하게는 약 50 GPa 이상의 영률(Young's modulus)을 갖는다. 상기와 같은 특성을 갖는 기판은 개선된 내구성 및 탄성(elasticity)을 갖는 MR 판독/기록 헤드를 제공함으로써, 헤드가 제조 과정 동안에 파괴되지 않도록 하며 사용할 때 스크래칭이 일어나지 않도록 한다. MR 판독 어셈블리는 제 1 및 제 2 자기 차폐 소자 (33) 및 (37) 사이에 각각 삽입된 예를 들어 니켈-철(NiFe) 합금과 같은 강자성 물질(ferromagnetic material)로 제조된 MR 센싱 소자 (35)를 포함한다. MR 센싱 소자 (35)는 일반적으로 퍼멀로이(Permalloy)로 불리는 단일 NiFe층을 포함할 수 있다. 또한, MR 센싱 소자 (35)는 각각이 본 명세서에서 참조되어 본 발명을 구성하고 또 거대 MR 효과(giant MR effect)를 사용하는 미국 특허 제 4,785,366호 또는 미국 특허 제 5,206,590호에서 개시되는 유형의 자기 바이어스층(magnetic bias layer)을 포함하는 다중층 자기 구조물(multilayer magnetic structure)로서 구현될 수 있다.
차폐 소자 (33) 및 (37)들은 통상 퍼멀로이 또는 센더스트(Sendust)라는 상표의 알루미늄-실리콘-철(aluminum-silicon-iron) 합금과 같은 고 투자율 자성 재료(highly permeable magnetic material)에 의해 형성된다. 자기 차폐 소자 (33) 및 (37)은 관계없는 전기 펄스(extraneous electrical pulse)를 발생시킬 수 있는 MR 소자 (35)에 대한 자기 간섭(magnetic interference)의 영향을 최소화하거나 제거한다. 일반적으로 구리(Cu) 또는 다른 적절한 도전성 재료로 형성된 도시되지 않은 도전성 리드는 MR 소자 (35)를 MR 소자의 저항을 감지하기 위한 외부 회로에 결합시키기 위해 MR 소자 (35)의 종단부에 전기적으로(electrically) 부착된다. 상기와 같은 도전성 리드는 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,465,186호에 개시된 유형일 수 있는데, 상기 특허는 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 구성한다.
MR 판독/기록 헤드 어셈블리는 기판 (31) 상에 예를 들어 스퍼터링 증착(sputtering deposition)과 같은 표준 진공 증착 기술(standard vacuum deposition technique)을 사용하여 제조될 수 있다. MR 어셈블리의 다양한 소자들은 스퍼터링된 알루미나와 같은 경질 절연 재료의 층 (42)에 의해 각각 둘러싸여 서로 절연된다. SiO2및 SiN과 같은 다른 절연 재료들도 사용될 수 있다. 알루미나는 경질 절연 기판 (31)과 관련되어 사용될 경우 특히 바람직한 절연 재료인데, 이는 상기와 같은 재료들은 알루미나-TiC 및 사파이어의 랩핑 및 에칭 속도와 유사한 랩핑 및 에칭 속도를 가지며 매우 큰 스크래칭 방지 특성을 구비한 경질 공기 베어링 표면을 갖는 MR 판독/기록 헤드 (30)을 제공하기 때문이다. 상기와 같은 재료들을 조합하여 사용하면 매우 정확하게 제조된 공기 베어링 표면을 갖는 MR 판독/기록 헤드 어셈블리의 제조 수율이 보다 높아진다. 예를 들어, 상기와 같은 공기 베어링 표면은 약 0.1 내지 1.5 ㎚ RA(roughness average: 평균 거칠기) 범위에 속하는 표면 거칠기 또는 미세 마무리(microfinish)를 가질 수 있는데, 이는 스캐닝 프로우브 현미경(scanning probe microscopy: SPM)을 사용하여 결정될 수 있으며, 또 그 평탄도(flatness)는 2 ㎜ 스캐닝(scanning)에 대해 약 10 내지 40 ㎚ 범위일 수 있다.
도 2를 참조하면, 유도 기록 어셈블리는 하단 또는 제 1 폴 피스(pole piece) (38) 및 상단 또는 제 2 폴 피스 (40)을 포함한다. 제 1 및 제 2 폴 피스 (38) 및 (40)은 바람직하게는 예를 들어 NiFe와 같은 고 투자율 재료로 각각 형성될 수 있으며, 이들은 또 제 1 및 제 2 폴 팁(pole tip) (39) 및 (41)과 각각 후방 갭부(back gap portion)에서 함께 자기적으로 접속된 자기 회로를 형성하는데, 이에 따라 공기 베어링 표면 (45)에서 자기 갭 (47)을 형성하게 된다. 예를 들어 통상 Cu로 형성된 전기 도전체 (43)의 하나 이상의 층들은 제 1 및 제 2 폴 피스 (38)과 (40) 사이에 배치된 유도 코일을 형성한다. 또한, 전기 도전체 (43)을 포함하는 유도 코일은 도시되지 않은 도전성 리드를 통하여 외부 회로에 역시 접속된다. 폴 피스 (38)과 (40), 및 전기 도전체 (43)은 전기도금(electroplating) 또는 스퍼터링 증착(sputtering deposition)과 같은 잘 알려진 프로세스를 사용하여 바람직하게 제조된다. 폴 피스 (38) 및 (40)은 스퍼터링된 알루미나와 같은 전기 절연 재료의 층 (42)에 의해 유도 코일 및 MR 판독 어셈블리로부터 전기적으로 절연된다. 그 다음으로, 전체 어셈블리는 알루미나와 같은 절연 및 보호 재료로 된 도시되지 않은 캡핑층(capping layer)으로 피복될 수 있다.
도 2에 도시된 헤드 (30)은 종종 "피기백(piggyback)" 헤드라고 불리운다. 유도 어셈블리의 제 1 폴 피스 (38)에 제 2 MR 자기 차폐 소자 (37)(도 2 참조)이 통합되어 양자의 기능을 수행하는 도 3에 도시된 바와 같은 단일 소자 (49)를 형성하는 대안적인 구성은 "통합형(merged)" 헤드라고 불리운다.
상술한 바와 같이, 정전기 전하는 헤드 어셈블리 (30)의 다양한 구성소자 상에 또는 헤드 어셈블리와 접촉하거나 또는 근접할 수 있는 모든 객체(object), 장비 또는 사람, 또는 헤드 어셈블리에 부착된 모든 전기 리드 상에 축적(accumulating)될 수 있다. 상기와 같은 정전기 전하는 헤드에 대해 심각한 EOS/ESD 손상을 야기하는 전위를 유발할 수 있다. 이러한 전하들은 제조 과정 및 후속 헤드 핸들링 과정 동안 축적될 수 있다. 예를 들어, 디스크 드라이브 어셈블리를 제조하는 과정에서 헤드를 다른 구성소자와 조립하면 헤드 소자 상에 비교적 많은 양의 정전기 전하를 축적하는 결과를 가져올 수 있다. 전기 전하는 도전 경로를 따라 형성되도록 그 전하가 발생된 영역으로부터 이동(migrating)한다. 따라서, 정전하(static charge)가 형성되면 후속적으로 "브레이크다운(breakdown)"을 겪는 유전체(dielectric) 양단의 한 도전성 소자로부터 다른 도전성 소자로 용량성 방전(capacitive discharge) 방식으로 방전이 발생할 수 있다. 방전은 통상 저장된 정전기 에너지를 방전하기 위한 단자(terminal)로서의 역할을 하는 도전성 재료 영역에서 연소(burnout) 등에 의한 손상을 유발한다.
유도 코일을 포함하는 전기 도전체 (43) 및 자기 폴 피스 (38) 및 (40)은 비교적 높은 전압 및 전류에 대해 견딜 수 있다. 그러나, MR 센싱 소자 (35)는 물리적으로 작은 단면을 갖기 때문에 전류 및 전압 과부하에 대해 특히 취약하다. MR 센서 소자 (35)의 액티브 센싱부(active sensing portion)는 통상 0.5 내지 20 ㎛의 길이, 0.5 내지 5 ㎛의 폭, 10 내지 100 ㎚의 두께, 및 약 20 내지 80 Ω의 저항을 갖는다. 도 2 및 도 3에 도시된 유형의 MR 판독/기록 어셈블리에서는 축적된 정전하가 MR 소자 (35)는 직접 통과하지만 자기 차폐 소자, 제 1 폴 피스, 또는 기판 (31)(슬라이더 본체)을 반드시 통과하지는 않도록 방전될 때에 ESD 및/또는 EOS 손상이 MR 소자 (35)의 센싱 영역을 따라 발생한다는 것이 알려져 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다양한 특징을 구현하는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리(이하에서는 "MR 헤드 어셈블리"라 함) (50)이 도시되는데, 상기 어셈블리는 경질 전기 절연 기판 (52); 기판 (52) 상에 형성된 다수의 알루미나층 (54); 알루미나층 (54)들 사이에 위치된 자기저항 판독/유도 기록 헤드 (56); 기판 (52)에 부착된 실리콘층 (58); 및 자기저항 판독/유도 기록 헤드 (56)에 상호접속되며 실리콘층 (58) 내에 집적된 반도체 회로 (60)을 포함한다. 이하에서, 기판 (52)에 대해 행해질 수 있는 다양한 모든 제조 프로세스에 따라 발생되는 "인-프로세스(in-process)" 구조물은 "웨이퍼(wafer)"로서 참조될 수 있다. 자기저항 판독/유도 기록 헤드 (56)은 바람직하게는 도 2 및 도 3을 참조하여 상술한 유형들 가운데 하나일 수 있다. 기판 (52)는 바람직하게는 10 내지 40 GPa 범위에 속하는 경도 및 약 50 GPa 또는 그보다 큰 영률(Young's modulus)을 갖는 정질(homogenous) 또는 비정질(non-homogenous) 전기 절연 구조로 구성될 수 있는 재료로 형성된다. 기판 (52)는 사파이어 또는 알루미나-TiC로 형성될 수 있는데, 이는 상기 재료들이 바람직한 범위에 속하는 특성을 갖기 때문이다. 사파이어는 약 30 GPa인 경도 및 약 330 GPa인 영률(Young's modulus)을 갖는다. 알루미나-TiC는 약 30 GPa인 경도 및 약 50 GPa인 영률(Young's modulus)을 갖는다. 그러나, 본 발명의 범위는 기판 재료로서 사용하기에 바람직한 범위 내의 특성을 갖는 다른 재료 시스템을 사용하는 것도 포함한다는 것을 이해해야 한다. 실리콘층이 사파이어 상에서 에피택셜 성장될 수 있기 때문에, 사파이어는 바람직한 기판 재료이다. 기판 (52)가 알루미나-TiC로 형성되는 응용에서는 실리콘층 (58)은 기판에 본딩될 수 있다. 단단하고 강인한(hard and tough) 기판 (52) 및 다수의 알루미나층 (54)들은 MR 헤드 어셈블리 (50)에 개선된 경도 및 강도(toughness)를 갖는 공기 베어링 표면 (62)를 제공한다.
본 발명의 중요한 특징은 실리콘층이 상부에 부착(affix)될 수 있는 경질 전기 절연 기판을 갖는 MR 헤드 어셈블리를 제공한다는 점이다. 기판(52)의 경도 및 강도는 헤드 (50)에 개선된 내구성 및 탄성을 제공함으로써, 이에 따라 헤드가 제조 과정 동안 파괴되지 않도록 하며 또한 사용할 때 스크래칭이 일어나지 않도록 한다. 또한, 기판 (52)가 실리콘층이 본딩, 성장 또는 달리 부착될 수 있는 재료로 형성된다는 사실은 반도체 다이오드 회로 (60)을 잘 알려진 포토리쏘그래픽 방법을 사용하여 실리콘층 내에 집적할 수 있도록 하며, 이에 따라 MR 헤드 어셈블리 (50)이 영구적인 EOS 및 ESD 보호 특성을 가질 수 있게 된다.
도 5는 도 4에 도시된 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리 (50)의 평면도이다. 도 6 및 도 7은 각각 A-A 및 B-B를 따라 취해진 MR 헤드 (50)의 구현예에 대한 단면도이며, 이러한 도면은 층 구조의 MR 헤드 어셈블리 (50) 및 실리콘층 (58) 내에 집적된 하나의 반도체 다이오드 회로 (60)을 명확하게 나타낸다.
도 6에서는 바람직하게는 사파이어, 특히 고품질 다이오드가 형성될 수 있는 단결정(single crystal) 형태의 알루미나(Al 2O3)로 만들어진 기판 (52) 상에 에피택셜 성장된 실리콘층 (58)이 도시된다. 반도체 회로 (60)은 표준 포토리쏘그래픽 방법을 사용하여 실리콘층 (58)과 함께 집적된 하나 이상의 다이오드(단지 하나만 도시됨) (74)를 포함할 수 있다. 도 6에서, 설명의 편의상 하나의 다이오드 (74)만이 도시된다. 그러나, 임의의 개수의 다이오드 (74)들이 특정 응용시 필요에 따라 적절하게 실리콘층 (58)과 함께 집적될 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
각각의 다이오드 (74)는 실리콘층 (58) 내에 형성된 n-웰(n-well) (82)를 갖는 집적된 회로로서 통상 구현된다. 그 다음으로, p+ 웰 (84) 및 2개의 n+ 웰 (86)들이 형성되는데, 예를 들어 p+ 웰 (84)는 표준 포토리쏘그래픽 방법을 사용하여 n+ 웰 (86)들 사이에 삽입될 수 있도록 n-웰 (82) 내에 적절한 종류의 도펀드(dopant)를 이온 주입(ion implanting)하여 형성된다. 그 다음으로, 실리콘 이산화물(SiO2)인 전기 절연층 (90)이 웨이퍼 상부에 형성되는데, 이는 갭 구조(gap structure) (88)을 형성하기 위해 선택적으로 에칭된다. p+ 및 n+ 웰 (84) 및 (86)은 실리콘층 (58)의 내부로 연장되고 또 그 실리콘층 (58)의 표면 상부로 약간 돌출한 전기 절연 갭 구조 (88)에 의해 각각 분리된다. 갭 구조 (88), n+ 웰 (86) 및 p+ 웰 (84)의 선택된 영역 상부에 형성된 전기 절연층 (92)에 의해 서로 전기적으로 절연된 금속 상호접속(metal interconnect) (94)는 n+ 웰 (86) 및 p+ 웰 (84)들을 외부 회로에 전기적으로 결합시킨다. 금속 상호접속 (94)는 예를 들어 알루미늄 또는 금과 같은 다른 적절한 전기 도전 재료로 형성될 수 있다. 전기 절연층 (92)는 스퍼터링된 알루미나와 같은 전기 절연 재료로 형성될 수 있다. 그 다음으로, 다이오드 (74), 실리콘층 (58), 및 사파이어 기판 (52)를 포함하는 웨이퍼는 외부 환경으로부터 웨이퍼를 전기적으로 격리 및 밀봉(seal)시키기 위해 스퍼터링된 알루미나 상부피복층(overcoat layer) (100)으로 피복된다.
도 7을 참조하면, MR 헤드 어셈블리 (50)은 또한 잘 알려진 방법에 따라 알루미나 상부피복층 (100) 상에 형성된 자기저항 판독/유도 기록 헤드(이하에서는 "MR 헤드"라 함) (110)을 포함한다. MR 헤드 (110)은 바람직하게는 니켈-철(NiFe) 합금과 같은 강자성 재료로 형성되어 각각 스퍼터링된 알루미나로 형성된 제 1 및 제 2 전기 절연 갭층 (114) 및 (116) 사이에 삽입된 MR 소자 (112)를 포함한다. 제 1 갭층 (114)는 도시된 바와 같이 상부피복층 (100) 상에 형성된 제 1 자기 차폐층 (118) 상에 스퍼터링될 수 있다. 경우에 따라서, 만일 상부피복층 (100)의 선택된 영역이 기판으로부터 제거된다면, 차폐층 (118)이 기판 (52) 상에 직접 형성될 수 있다. 그 다음으로, 제 2 차폐층 (120)이 제 2 갭층 (116) 상부에 형성되므로써, 이에 따라 제 1 및 제 2 갭층 (116) 및 (114)가 각각의 제 1 및 제 2 차폐층 (118) 및 (120) 사이에 각각 삽입된 형태가 된다. 자기 차폐층 (118) 및 (120)은 MR 센서 (112)에 영향을 주는 자기 간섭을 최소화하거나 제거하며, 퍼멀로이 또는 센더스트와 같은 고투자율 자기 재료로 형성될 수 있다. 일반적으로 구리 또는 다른 적절한 전기 도전성 재료로 구성된 도전성 리드(도시되지 않음)는 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제 5,465,186호(상기 특허는 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 구성함)에서 설명되는 바와 같이 MR 센서 (110)의 종단에 전기적으로 결합되는데, 이에 따라 MR 센서 (110)의 저항이 도시되지 않은 외부 회로에 의해 감지될 수 있다. 또한, 바람직하게는 스퍼터링된 알루미나로 형성된 제 3 갭층 (122)가 제 2 차폐층 (120) 상부에 형성된다. 그 다음으로, 자기 기록 헤드 업계에서 흔히 "P-2"로서 블리우는 폴 피스 (124)가 제 3 갭층 (122) 상부에서 NiFe 합금과 같은 강자성 재료에 의해 제조된다. 이에 따라, 제 3 갭층 (122)가 제 2 차폐층 (120)과 폴 피스 (124) 사이에 삽입된 형태가 된다. 그 다음으로, 일반적으로 스퍼터링된 알루미나로 구성된 전기 절연 상부피복층 (126)이 전체 웨이퍼 상부에 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명된 MR 헤드 어셈블리 (50)에 대한 다른 실시예에서, 경질 전기 절연 기판 상에 실리콘막을 형성하기 위하여 얇은 실리콘 웨이퍼가 두껍고 단단한 전기 절연 기판에 본딩될 수 있다. 경질 전기 절연 기판 (52)는 스퍼터링된 실리콘 이산화물(SiO2)층 (140)이 상부에 형성되는 알루미나-TiC로 형성될 수 있다. 써멀 실리콘 이산화물층(thermal silicon dioxide layer) (141)이 상부에 성장되는 실리콘 웨이퍼 (142)는 박막화(薄膜化)(thinning)되므로써 반도체 회로 (60)이 집적되는 얇은 멤브레인부(membrane section) 또는 웹 (145)를 제공할 수 있게 된다. 실리콘 웨이퍼 (142)는 바람직하게는 실리콘 웨이퍼 (142)에 강도(rigidity)를 제공하도록 하는 플렌지(flange)에 의한 경계를 갖는 모노리식 구조(monolithic structure)일 수 있다. 실리콘 웨이퍼 (142)의 써멀 실리콘 이산화물층 (141)은 기판 (52)의 스퍼터링된 실리콘 이산화물층과 접촉된 상태로 위치된다. 그 다음으로, 상기 2개의 구조 (142) 및 (52)는 약 400 내지 500 ℃ 범위의 온도에서 약 3 내지 5 시간 동안 가열되므로써, 실리콘 웨이퍼 (142)가 실리콘 이산화물층 (140)에 본딩될 수 있게 된다. 따라서, 알루미나-TiC인 경질 전기 절연 기판 (52)에 본딩된 실리콘층 (58)을 포함하는 본딩된 구조 (148)이 형성된다. 또한, 웨이퍼가 기판 (52)에 본딩된 후 실리콘 웨이퍼 (142)의 액티브 영역 (145)를 박막화(薄膜化)(thinning)하는 것이 역시 가능한데, 이는 본딩 과정 동안 구조의 강도가 개선될 수 있도록 허용한다. 경우에 따라서, 실리콘층은 개량된 플라즈마 화학 증기 증착 방법(plasma enhanced chemical vapor deposition: PECVD)을 사용하여 알루미나-TiC 상에 증착될 수 있다. 그러나, 이러한 대안은 아마 다결정 실리콘(polycrystalline silicon)을 만들 수 있을 것이다.
써멀 실리콘 이산화물층을 포함하는 실리콘 웨이퍼 (142)는 경질 기판 (52)를 노출시키도록 반도체 회로 (60)이 집적되는 실리콘 웹 (145) 영역이 아닌 다른 영역으로부터 에칭될 수 있다. 다이오드 (74)는 도 10에 도시된 MR 판독/기록 헤드 어셈블리 (50)을 제공하기 위하여 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이 실리콘 웨이퍼 (142)의 웹 (145) 내에 형성될 수 있다. 어셈블리의 MR 헤드 (110)(도 7 참조)은 도 11에 도시된 MR 헤드 어셈블리 (50)을 제공하기 위하여 본 명세서에서 위에서 상술한 방법에 따라 제조될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, MR 헤드 어셈블리 (50)의 공기 베어링 표면 (62)는 도 6 및 도 7에서 도시된 바와 같이 경질 기판 (52)의 노출된 표면, 알루미나층 (100), 제 1 및 제 2 차폐층 (118) 및 (120), MR 센서 (112), 갭층 (114), (116), 및 (122) 및 P-2 폴 피스 (124)에 의해 정해지는 표면을 랩핑 함으로써 형성될 수 있다. 랩핑된 공기 베어링 표면 (62)(도 4 참조)는 바람직하게는 0.1 내지 1.5 ㎚ RA(roughness average: 평균 거칠기) 범위에 속하는 표면 거칠기 또는 미세 마무리(microfinish), 및 2 ㎜ 폭(span) 상에서 10 내지 40 ㎚ 범위에 속하는 평탄도를 갖는다. 랩핑된 공기 베어링 표면 (62)의 표면 미세 마무리 및 평탄도는 SPM 측정 장치를 사용하여 결정될 수 있다. MR 헤드 (110)을 포함하는 금속을 제외한 전체 공기 베어링 표면 (62)는 사파이어(단결정 알루미나) 또는 스퍼터링된 알루미나 가운데 하나로 구성되며, 이에 따라 일반적으로 균일한 랩핑 속도를 갖는다. 상기와 같은 랩핑 속도는 공기 베어링 표면 (62)가 매우 정확하게 랩핑되도록 한다.
랩핑된 후, 공기 베어링 표면 (62)의 선택된 영역은 표면 (62)의 공기 역학적 상승(aerodynamic lift) 특성을 제어하기 위하여 예를 들어 0.1 내지 5.0 ㎛인 범위 내에 속하는 깊이까지 표준 포토리쏘그래픽 방법을 사용하여 에칭될 수 있다. 바람직한 실시예에서는 공기 베어링 표면 (62)의 상승 특성의 제한이 요구되는데, 이는 MR 헤드 어셈블리 (50)이 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같이 예를 들어 1.5 ± 0.5 마이크로인치(microinch)의 선정(先定)된 높이 h로 회전 디스크(spinning disk) (32) 상부에서 비행할 수 있게 된다. 에칭된 후, 공기 베어링 표면은 랩핑된 기판(예를 들면, 사파이어 또는 알루미나-TiC) 영역 (150), 랩핑된 알루미나 영역 (152), 에칭된 기판 영역 (154), 및 에칭된 알루미나 영역 (156)을 포함한다.
도 12에는 반도체 회로 (60)의 다이오드 (74), MR 센싱 소자 (112) 및 MR 헤드 어셈블리 (50)의 제 1 자기 차폐층 (118) 사이의 전기적 상호접속에 대한 개략도가 예시적으로 도시된다. 반대로 접속된 대립 다이오드 D1 및 D2는 MR 센서 (112) 양단에 병렬로 접속된다. 다이오드 D1 및 D2는 공동으로 MR 센서 (112)에 대하여 + 전압 전위를 갖는 노드 R+ 또는 MR 센서 (112)에 대하여 - 전압 전위를 갖는 노드 R-에서 축적될 수 있는 MR 센서 (112) 주변의 임의의 EOS 및/또는 ESD를 제한된 범위 내에서 단락시키는 회로 경로를 제공한다. 경우에 따라서 반대로 접속된 대립 다이오드 D3 및 D4가 노드 R+와 자기 차폐 소자 (118) 사이에 단락 회로 경로를 제공하도록 병렬로 접속될 수 있다. 마찬가지로, 또다른 선택 사항으로 반대로 접속된 대립 다이오드 D5 및 D6이 노드 R-와 자기 차폐 소자 (118) 사이에 단락 회로 경로를 제공하도록 병렬로 접속될 수 있다. 다이오드 D1 내지 D6은 위에서 다이오드 (74)를 참조하여 설명한 유형의 다이오드일 수 있다. 통상, 이러한 다이오드는 동작점(operating point)에서 약 0.6 V의 동작 전압(operating voltage) (Vop), 2 ㎃ 미만의 순방향 전류 (If), If미만의 역방향 전류 (Ir), 50 ㎊ 미만의 커패시턴스, 및 5 Ω 미만의 직렬 저항 (Rseries)을 나타낸다. 다이오드 D1 내지 D6은 도 6의 실리콘층 (58) 내에 또는 웨이퍼 (148)의 실리콘 멤브레인 (145)(도 9 참조) 내에 집적될 수 있으며, 또한 잘 알려진 집적 회로 제조 방법에 따라 MR 센서 (112) 및 자기 차폐 소자 (118)에 상호접속될 수 있다.
각각의 다이오드 D1 내지 D6의 저항은 0이 되어 MR 센싱 소자 (112)를 통하여 어떠한 전류도 흐르지 않는 것이 이상적이다. 그러나, 실제로는 임의의 순방향 바이어스된 다이오드의 유한 저항 Rshort, 및 MR 센서 (112)의 유한 저항 RMR은 다음에 주어진 수학식에 의한 소정량의 전류가 MR 센싱 소자를 통하여 흐르도록 하는 병렬 회로를 형성한다(여기서 It는 전체 전류임):
IMR= It× Rshort/ ( Rshort+ RMR).
따라서, MR 센서 (112)를 통한 전류를 최소화시키기 위하여, 각각의 다이오드 D1 내지 D6의 저항 Rshort는 실제로 얻을 수 있는 저항 중 가능한한 가장 작아야 한다. 일반적으로, 단락 회로 저항의 상한(upper limit)은 Rshort〈 0.5RMR로 주어지는 것이 효과적이다. 그러나, 모든 실제적인 구현에서는 Rshort가 상기 상한보다 훨씬 적을 것이다.
본 발명에 따르면, 경질 전기 절연 기판(hard electrically insulating substrate) 상에 형성되며 정전기 방전 보호(eletrostatic discharge protection)를 가지는 자기저항 판독/유도 기록 자기 헤드 어셈블리(magnetoresistive read/inductive write magnetic head assembly)를 사용함으로써, 영구적으로 집적된 ESD/EOS 보호를 갖는 MR 헤드/기록 헤드 어셈블리를 제공할 수 있다.

Claims (38)

  1. 공기 베어링 표면(air bearing surface; ABS)과 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)를 갖는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리(magnetoresistive head and slider assembly)에 있어서,
    a) 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 제 1 표면, 및 트레일 종단(trailing end)을 구비한 사파이어(sapphire) 슬라이더;
    b) 상기 슬라이더 트레일 종단의 제1 부분 상에 형성되며, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 종단부(edge)를 구비한 다수의 알루미나층;
    c) 상기 알루미나층들 사이에 위치되는 자기저항 헤드(magnetoresistive head);
    d) 상기 슬라이더 트레일 종단의 제2 부분 상에 직접 실장(mount)되며, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 어느 부분도 형성하지 않도록 상기 공기 베어링 표면(ABS)로부터 리세스(recess)되는 실리콘층; 및
    e) 상기 실리콘층 내에 집적되어 상기 자기저항 헤드와 상호접속(interconnect)되는 반도체 회로(semiconducting circuit)를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 회로가 다이오드를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자기저항 헤드가 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)를 포함하며, 상기 반도체 회로는 상기 자기저항 센서 양단에 병렬로 전기접속된 대립 다이오드(opposed diode)들을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  4. 제2항에 있어서, 상기 자기저항 헤드는 자기 차폐층(magnetic shield layer)을 포함하는 자기저항 판독/유도 기록 헤드(magnetoresistive read/inductive write head)이며, 상기 반도체 회로는 상기 자기 차폐층에 전기 접속된 대립 다이오드를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서, 상기 실리콘층이 상기 사파이어 슬라이더 상에서 에피택셜 성장(epitaxially grow)되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 자기저항 헤드가 통합형 헤드(merged head)인 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자기저항 헤드가 피기백 헤드(piggyback head)인 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  8. 공기 베어링 표면(ABS)과 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)를 갖는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리(magnetoresistive head and slider assembly)에 있어서,
    a) 사파이어 슬라이더;
    b) 상기 사파이어 슬라이더와 상기 슬라이더의 트레일 종단에 형성된 다수의 알루미나층들에 의해 정해지는 공기 베어링 표면(air bearing surface)―여기서 공기 베어링 표면은 상기 트레일 종단에 수직임―;
    c) 상기 다수의 알루미나층들 사이에 위치되며 상기 공기 베어링 표면(ABS)에서 노출되는 자기저항 헤드(mabnetoresistive head);
    d) 상기 슬라이더 트레일 종단 상에 직접 실장(mount)되며, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부분을 형성하지 않도록 상기 공기 베어링 표면으로부터 리세스(recess)되는 실리콘층; 및
    e) 상기 실리콘층 내에 집적되어 상기 자기저항 헤드와 상호접속(interconnecting)되는 반도체 회로(semiconducting circuit)를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면이 약 2 mm인 폭(span) 상에서 약 10 내지 40 nm 범위에 속하는 평탄도(flatness) 및 약 0.1 내지 1.5 평균 거칠기(roughness average) 범위에 속하는 표면 미세 마무리(microfinish)를 가지는 영역을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  10. 제8항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면이 약 2 mm인 폭 상에서 약 10 내지 40 mm 범위에 속하는 평탄도를 가지는 영역을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  11. 제8항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면이 약 0.1 내지 1.5인 평균 거칠기 범위에 속하는 표면 미세 마무리를 가지는 영역을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  12. 제8항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면이 랩핑된 영역(lapping region)을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  13. 제8항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면이 에칭된 영역을 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  14. 공기 베어링 표면(air bearing surface; ABS)과 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)를 갖는 자기저항 헤드 어셈블리(magnetoresistive head assembly)를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    a) 사파이어 슬라이더 상에 실리콘층을 지지(supporting)하는 단계;
    b) 상기 실리콘층 내에 반도체 회로를 집적하는 단계;
    c) 상기 슬라이더 상에 자기저항 헤드 및 알루미나로 된 층을 포함하는 층상구조(layered structure)를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 반도체 구조를 상기 자기저항 헤드와 전기적으로 상호접속하는 단계를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리 제조 방법.
  15. 공기 베어링 표면(ABS)을 갖고, 정전기 방전 보호를 합체(incorporating)한 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리에 있어서,
    a) 상기 공기 베어링 표면의 일부를 형성하는 표면을 갖는 사파이어 슬라이더; 및
    b) 자기저항 헤드-여기서 자기저항 헤드는
    ⅰ) 제 1 및 제 2 알루미나 갭층(alumina gap layer) 사이에 삽입되는 자기저항 센서;
    ⅱ) 상기 슬라이더의 트레일 종단 상에 실장되는 제 1 및 제 2 자기 차폐층―여기서 제 1 및 제 2 자기 차폐층은 그 사이에 상기 제 1 및 제 2 갭층을 포함함―;
    ⅲ) 제 2 자기 차폐층 상부에 형성되는 자기 폴 소자(magnetic pole element);
    ⅳ) 제 2 차폐층과 자기 폴 소자 사이에 삽입되는 제 3 알루미나 갭층;
    ⅴ) 상기 자기 폴 소자 상에 실장되는 알루미나 상부피복(overcoat) 층―여기서 알루미나 상부피복 층은 상기 공기 베어링 표면의 일부를 형성하는 종단부(edge)를 가짐―;
    ⅵ) 상기 슬라이더에 직접 실장되며 상기 공기 베어링 표면의 어느 부분도 형성하지 않도록 상기 공기 베어링 표면으로부터 리세스되는 실리콘층; 및
    ⅶ) 실리콘층과 함께 집적되며, 상기 자기저항 헤드에 상호접속되는 반도체 장치를 구비함―를 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  16. 제15항에 있어서, 자기저항 헤드가 공기 베어링 표면에서 노출되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  17. 제15항에 있어서, 자기저항 판독/유도 기록 헤드 상부에 형성되는 제 1 전기 절연층을 추가로 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  18. 제17항에 있어서, 반도체 장치 회로 상부에 형성되는 제 2 전기 절연층을 추가적으로 포함하는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  19. 제18항에 있어서, 제 2 전기 절연층이 슬라이더와 제 1 자기 차폐층 사이에 삽입되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  20. 제15항에 있어서, 제 1, 제 2, 및 제 3 갭층들이 본질적으로 알루미나로 형성되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  21. 제17항에 있어서, 제 1 전기 절연층이 본질적으로 알루미나로 형성되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  22. 제18항에 있어서, 제 2 전기 절연층이 본질적으로 알루미나로 형성되는 자기저항 헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  23. 자기 디스크 저장 시스템(magnetic disk storage system)에 있어서,
    a) 스핀들(spindle);
    b) 스핀들 상에 장착된 최소한 하나의 마스크;
    c) 최소한 하나의 서스펜션(suspension)을 가진 액츄에이터 암(actuator arm);
    d) 서스펜션 상에 장착된 최소한 하나의 슬라이더(slider);
    e) 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리―여기서 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리는 공기 베어링 표면, 및
    ⅰ) 상기 공기 베어링 표면의 일부를 형성하는 제 1 표면(first surface)과 이 제 1 표면에 수직인 평탄한 트레일 종단를 구비한 사파이어 슬라이더;
    ⅱ) 상기 사파이어 슬라이더의 트레일 종단의 제 1 영역에 실장되는 다수의 알루미나 및 강자성 층을 포함하고, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 종단부를 구비한 자기헤드; 및
    ⅲ) 상기 사파이어 슬라이더의 트레일 종단의 제 2 영역에 직접 실장되며, 그 내부에 적어도 하나의 다이오드가 집적되는 실리콘층을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 실리콘층이 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하지 않도록 상기 공기 베어링 표면(ABS)으로부터 이격되며, 상기 자기헤드는 상기 적어도 하나의 다이오드에 연결된 판독센서(read sensor)를 포함함―를 포함하는 자기 디스크 저장 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 자기저항 헤드가 자기저항 판독/유도 기입 헤드(magnetoresistive read/inductive write head)인 자기 디스크 저장 시스템.
  25. 공기 베어링 표면(ABS)를 구비한 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리에 있어서,
    a) 상기 공기 베어링 표면의 일부를 형성하는 제 1 표면(first surface)과 이 제 1 표면에 수직인 평탄한 트레일 종단를 구비한 사파이어 슬라이더;
    b) 상기 사파이어 슬라이더의 트레일 종단의 제 1 영역에 실장되는 다수의 알루미나 및 강자성 층을 포함하고, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 종단부를 구비한 자기헤드; 및
    c) 상기 사파이어 슬라이더의 트레일 종단의 제 2 영역에 직접 실장되며, 그 내부에 적어도 하나의 다이오드가 집적되는 실리콘층을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 실리콘층이 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하지 않도록 상기 공기 베어링 표면(ABS)으로부터 이격되며, 상기 자기헤드는 상기 적어도 하나의 다이오드에 연결된 판독 센서(read sensor)를 포함하는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  26. 제25항에 있어서, 상기 알루미나 층의 평탄한 종단부와 상기 사파이어 슬라이더의 제 1 표면은 거의 동일한 랩핑 속도(lapping rate)를 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  27. 제25항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면(ABS)이 랩핑된 부분과 리세스된 부분을 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  28. 제27항에 있어서, 상기 랩핑된 부분은 랩핑되어 형성되고, 리세스된 부분은 에칭되어 형성되는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  29. 제25항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 랩핑된 부분이 약 2 mm 폭(span) 상에서 약 10 내지 40 nm 범위에 속하는 평탄도를 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  30. 제25항에 있어서, 상기 사파이어 슬라이더가 거의 30 GPa의 경도와 거의 330GPa의 영률(Young's modulus)을 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  31. 제25항에 있어서, 상기 자기헤드는
    a) 제 1 및 제 2 강자성 차폐층 사이에 위치된 상기 제 1 및 제 2 알루미나 갭 층 사이에 위치된 자기저항(MR) 센서; 및
    b) 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 제 1 및 제 2 강자성 폴 피스(ferromagnetic pole piece)와 다수의 절연층 사이에 위치되는 알루미나 갭 층―여기서 알루미나 갭 층은 상기 공기 베어링 표면(ABS)으로부터 리세스되고, 상기 제 1 및 제 2 폴 피스 층 사이에 위치된 내장 코일층을 구비함―을 구비하고, 상기 제 2 강자성 차폐층과 상기 제 1 폴 피스 층은 공통층(common layer)인 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  32. 제25항에 있어서, 상기 실리콘층이 상기 사파이어층 상에서 에피택셜 성장(epitaxially grow)되는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  33. 제32항에 있어서, 상기 알미나층의 평탄한 종단부와 상기 사파이어 슬라이더의 제 1 표면은 거의 동일한 랩핑 속도를 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  34. 제33항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면(ABS)은 랩핑된 부분과 리세스된 부분을 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  35. 제34항에 있어서, 상기 랩핑된 부분은 랩핑되어 형성되고, 리세스된 부분은 에칭되어 형성되는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  36. 제35항에 있어서, 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 랩핑된 부분이 약 2 mm 폭(span) 상에서 약 10 내지 40 nm 범위에 속하는 평탄도를 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  37. 제36항에 있어서, 상기 사파이어 슬라이더가 거의 30 GPa의 경도와 거의 330GPa의 영률(Young's modulus)을 갖는 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
  38. 제37항에 있어서, 상기 자기헤드는
    a) 상기 제 1 및 제 2 강자성 차폐층 사이에 위치된 상기 제 1 및 제 2 알루미나 갭 층 사이에 위치된 자기저항(MR) 센서; 및
    b) 상기 공기 베어링 표면(ABS)의 제 1 및 제 2 강자성 폴 피스(ferromagnetic pole piece)와 다수의 절연층 사이에 위치되는 알루미나 갭 층―여기서 알루미나 갭 층은 상기 공기 베어링 표면(ABS)으로부터 리세스되고, 상기 제 1 및 제 2 폴 피스 층 사이에 위치된 내장 코일층을 구비함―을 구비하고, 상기 제 2 강자성 차폐층과 상기 제 1 폴 피스 층은 공통층인 자기헤드 및 슬라이더 어셈블리.
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JPH06223331A (ja) * 1993-01-26 1994-08-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 磁気抵抗効果型薄膜磁気ヘッド

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