KR100269988B1 - 스핀밸브형 박막소자 - Google Patents

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KR100269988B1
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Abstract

프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 -2×10-6≤λs≤0, 보다 바람직하게는 -1×10-6≤λs≤0 의 범위 내로 되어 있으므로, 상기 프리 자성층 (4) 에 도시 Y 방향 (하이트 방향) 의 인장응력이 작용해도 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층 (4) 의 자화를 도시 X 방향 (트랙폭 방향) 으로 유기 (誘起) 시킬 수 있다. 이로써, 프리 자성층 (4) 의 자화반전은 양호해지고, 에싱메트리를 0 으로 접근시키는 (양호하게 하는) 것이 가능해진다.

Description

스핀밸브형 박막소자
본 발명은 고정 자성층의 자화 방향과 외부자계의 영향을 받는 프리 자성층의 자화 방향과의 관계에서 전기저항이 변화하는, 이른바 스핀밸브형 박막소자에 관한 것으로, 특히 양호한 어시메트리를 얻을 수 있게 한 스핀밸브형 박막소자에 관한 것이다.
도 7 은 하드디스크 등의 기록매체로부터의 기록자계를 검출하는 스핀밸브형 박막소자 (스핀밸브형 박막자기헤드) 의 ABS (Air Bering Surface) 면 근방에서의 단면도이다.
이 스핀밸브형 박막소자는 반강 (antiferro) 자성층 (30), 고정 자성층 (핀 (Pinned) 자성층) (2), 비자성 도전층 (3) 및 프리 (free) 자성층 (31) 이 적층되고, 그 양측에 하드바이어스층 (5) 이 형성되어 있다.
반강자성층 (30) 에는 Fe-Mn (철-망간) 합금막 또는 Ni-Mn (니켈-망간) 합금막, 고정 자성층 (2) 및 프리 자성층 (31) 에는 Ni-Fe (니켈-철) 합금막, 비자성 도전층 (3) 에는 Cu (구리) 막, 또한 하드바이어스층 (5) 에는 Co-Pt (코발트-백금) 합금막 등이 일반적으로 사용되고 있다. 또한, 부호 6, 7 은 Ta (탄탈) 등의 비자성 재료로 형성된 바탕층 및 보호층이다.
도면에서 나타내는 바와 같이, 반강자성층 (30) 과 고정 자성층 (2) 이 접하여 형성되고, 상기 고정 자성층 (2) 은 상기 반강자성층 (30) 과의 계면에서의 교환결합에 의한 교환이방성 자계에 의하여 Y 방향 (하이트 방향) 으로 단일 자구화 (磁區化) 되고, 자화의 방향이 Y 방향으로 고정된다. 상기 교환이방성 자계는 반강자성층 (30) 이 NiMn 합금막인 경우에는 자계를 Y 방향으로 보내면서, 어닐링 처리 (열처리) 를 함으로써 상기 반강자성층 (30) 과 상기 고정 자성층 (2) 의 계면에서 발생된다. 또한, 반강자성층 (30) 이 FeMn 합금막인 경우에는 자장 중에서 막형성됨으로써, 상기 반강자성층 (30) 과 상기 고정 자성층 (2) 의 계면에서 교환이방성 자계가 발생된다.
또한, X 방향 (트랙폭 방향) 으로 자화되어 있는 하드바이어스층 (5) 의 영향을 받아 상기 프리 자성층 (31) 의 자화 방향은 X 방향에서 마련된다.
스핀밸브형 박막소자의 제조방법으로는, 먼저 바탕층 (6) 에서 보호층 (7) 까지 6 층의 막이 형성되고, 그후 이온밀링 등의 에칭공정에서 상기 6 층의 측부가 경사면이 되도록 절삭되고, 다시 그후에 상기 6 층의 양측에 하드바이어스층 (5) 이 막형성된다.
이 스핀밸브형 박막소자에서는 하드바이어스층 (5) 위에 형성된 도전층 (8) 에서 고정 자성층 (2), 비자성 도전층 (3) 및 프리 자성층 (31) 으로 정상전류 (센스전류) 가 보내진다. 하드디스크 등의 기록매체의 주행방향은 Z 방향으로서, 기록매체로부터 나온 누설자계가 Y 방향으로 보내지면, 프리 자성층 (4) 의 자화가 X 에서 Y 방향을 향하여 변화된다. 이 프리 자성층 (31) 내에서의 자화 방향의 변동과, 고정 자성층 (2) 의 고정 자화 방향과의 관계로부터 전기저항이 변화하고, 이 전기저항치의 변화에 따른 전압변화에 의하여 기록매체로부터 나온 누설자계가 검출된다.
그런데, 도 7 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자는 그 ABS 면 (정면) 만이 외부로 노출되고, 그 이외의 면은 예를 들어 Al2O3등의 절연막에 의하여 덮여있다. 또한, 상기 스핀밸브형 박막소자는 금속막의 다층구조이므로, 상기 스핀밸브형 박막소자의 열팽창계수는 상기 스핀밸브형 박막소자를 덮는 절연막의 열팽창계수에 비하여 크게 되어 있다. 따라서, 상기 스핀밸브형 박막소자에는 도시 Y 방향 (하이트 방향) 으로의 인장응력이 작용하고 있다.
이러한 상태에서 스핀밸브형 박막소자를 구성하는 프리 자성층 (31) 의 자기 변형 (磁氣歪曲) 이 정 (正) 의 값이면, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층 (31) 의 자화는 도시 Y 방향으로 경사져 유기되어 버린다.
전술한 바와 같이, 상기 프리 자성층 (31) 의 자화는 하드바이어스층 (5) 에 의하여 도시 X 방향 (트랙폭 방향) 에서 마련되어 있고, 기록매체로부터의 누설자계에 의하여 상기 프리 자성층 (31) 의 자화가 변동되고, 상기 기록매체로부터의 누설자계가 검출된다.
그런데, 스핀밸브형 박막소자에 도시 Y 방향으로의 인장응력이 작용하고, 또한 프리 자성층 (31) 의 자기 변형이 정의 값이면, 상기 프리 자성층 (31) 의 자화가 도시 Y 방향으로 경사져 유기되어 버리므로, 기록매체로부터의 누설자계에 대하여 양호한 자화반전을 일으키지 않고, 재생출력파형의 상하 대칭성이 저하되어 버린다.
재생출력파형의 상하 비대칭성은 어시메트리라고 하고, 이 어시메트리는 도시 Y 방향으로 보내지는 기록매체로부터의 누설자계를 ±H(Oe ; 에르스테드) 로 했을 때, {[△R(-H(Oe)) - △R(+H(Oe))]/[△R(-H(Oe)) + △R(+H(Oe))]×100} (R ; 저항) 으로 표시된다. 또한, 상기에 있어서 △R(-H(Oe)) 는 누설자계가 -H 일 때의 저항변화량 (△R) 을 의미한다.
상기 어시메트리를 0 으로 접근시킬수록 재생출력파형의 상하 대칭성이 높아지고 재생특성은 양호해진다.
본 발명자는 프리 자성층 (31) 의 도시 Y 방향에 인장응력을 주고, 다시 상기 프리 자성층 (31) 에 정의 지기변형을 갖는 경우의, 스핀밸브형 박막소자의 어시메트리를 측정하였다.
실험에서는, 프리 자성층 (31) 의 자기 변형을 +2×10-6으로 통일하고, 스핀밸브형 박막소자의 도시된 Y 방향으로, O MPa, 15 MPa, 70 MPa, 192 MPa 의 인장응력을 주고, 각각의 인장응력에 대한 센스전류 (Is) 와, 어시메트리 (%) 와의 관계에 대하여 조사하였다. 그 실험결과를 도 8 에 나타낸다.
도면에서와 같이, 인장응력이 클수록 어시메트리는 악화되는 것 (0 으로부터 멀어짐) 을 알 수 있다.
다음으로, 각 응력에 있어서의 어시메트리의 센스전류 의존의 경사를 보면, 응력이 클수록 어시메트리의 경사가 급해지는 것을 알 수 있다.
어시메트리의 센스전류 의존의 경사가 가장 급하게 되어있는 192 MPa 의 응력이 작용했을 경우, 어시메트리는 센스전류가 약 8 ㎃ 가 되면 거의 0 이 되나, 경사가 급하기 때문에 센스전류가 8㎃ 이상이 되면 상기 어시메트리는 급격히 악화 (0 보다도 커짐) 되는 것을 알 수 있다.
이렇게, 프리 자성층 (31) 의 자기 변형이 정의 값인 경우, 도시된 Y 방향에 큰 인장응력이 작용할 수록 어시메트리를 0 의 값에 접근시키기가 곤란하고, 특히 스핀밸브형 박막소자에는 통상적으로 도시된 Y 방향으로 200 ~ 300 MPa 의 인장응력이 작용하고 있다는 것으로 알려져 있으며, 실제로는 도 8 에서와 같은 실험결과보다도 더욱 어시메트리는 악화되는 것으로 유추된다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하기 위한 것으로, 특히 하이트 방향으로 인장응력이 작용하는 경우, 양호한 어시메트리를 얻을 수 있도록 하는 스핀밸브형 박막소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되고, 상기 반강자성층과의 교환이방성 자계에 의하여 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통하여 형성된 프리 자성층을 갖고, 나아가 상기 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차되는 방향에서 마련하는 바이어스층과, 고정 자성층과 비자성 도전층과 프리 자성층에 검출전류를 보내는 도전층이 형성되어 이루어지는 스핀밸브형 박막소자에 있어서, 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -2×10-6≤λs≤0 이다.
본 발명에서, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -1×10-6≤λs≤0 인 것이 보다 바람직하다.
그런데, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 프리 자성층을 구성하는 연자성 재료의 조성비를 변화시킴으로써 알맞은 성질 (適性) 로 조절할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성된 경우, NiFe 계 합금의 조성비는 NiXFe100-X로 표시되고, 조성비 (x) 는 wt % 로서,
81.5≤x≤84.5
이면, 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6~ 0 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성된 경우, NiFe 계 합금의 조성비는 NiXFe100-X로 표시되고, 조성비 (x) 는 wt % 로서,
81.5≤x≤83
이면, 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -1×10-6~ 0 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 반강자성층이 PtMn 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. PtMn 합금은 종래부터 반강자성층으로서 사용되는 FeMn 계 합금 등에 비하여 교환이방성 자계 (Hex) 가 크고, 또한 블로킹 온도가 높은 등 반강자성층으로서 우수한 성질을 갖고 있다.
또한, 본 발명에서는 PtMn 합금을 대신하여 X-Mn 계 합금 (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os), Pt-Mn-x 계 합금 (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 이 사용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 스핀밸브형 박막소자는 그 상하, 및 ABS 면의 반대측 (이하, 하이트측이라고 함) 의 측면이 절연막에 의하여 덮여, ABS 면만이 외부에 노출되어 있으나, 상기 스핀밸브형 박막소자의 열팽창계수는 절연막의 열팽창계수에 비하여 크기 때문에, 상기 스핀밸브형 박막소자에는 하이트 방면으로 인장응력이 작용한다.
그러나, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 정의 값이면, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층의 자화가 하이트 방면으로 유기되어 어시메트리가 악화되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명자는 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 부 (負) 의 값으로 하면, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층의 자화가 트랙폭 방향으로 유기되어 어시메트리가 양호해지는 (0 으로 보다 접근함) 점에 착안하였다.
이하에서, 포화 자기 변형 정수 (λs) 에 관한 실험 및 그 결과 등에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 실험에서는 프리 자성층으로서 NiFe 계 합금을 사용하고, 이 NiFe 계 합금의 조성비가 다른 복수의 다층막을 막형성하여 각각의 다층막에 있어서의 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 측정하였다. 그 실험결과를 도 3 에 나타낸다.
또한, 상기 다층막에 있어서의 각층의 재질 및 그 막형성은 이하와 같다. 기판/바탕층 : Ta (3 ㎚)/반자성층 : PtMn (30 ㎚)/고정 자성층 : NiFe (3 ㎚)/비자성 도전층 : Cu (2 ㎚)/프리 자성층 : NiFe (8 ㎚)/보호층 : Ta (5 ㎚)
도 3 에서와 같이, Ni 의 조성비가 81.5 wt % 이면, 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 거의 0 이 되는 것을 알 수 있다. 또한, Ni 의 조성비가 81.5 wt % 이상이 되면, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 부의 값이 되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 각 다층막에 하이트 방향으로 약 300 MPa 의 인장응력을 주고, 다시 5 ㎃ 의 센스전류 (Is) 를 흘려보내고, 또한 하이트 방향으로 ±200 Oe 의 자계를 보내면서 어시메트리를 측정하였다. 그 실험결과를 도 4 에 나타내었다.
도 4 에서와 같이, 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 0 일 때, 어시메트리는 약 -5 % 이고, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 부의 값으로서, 그 절대치가 커질수록 상기 어시메트리는 0 으로 보다 접근하는 것을 알 수 있다.
어시메트리는 0 에 가까워질수록 재생출력파형의 상하의 대칭성이 높아져 양호한 재생특성을 얻을 수 있는 점에서 바람직하나, 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 부의 값으로 하고 절대치를 지나치게 크게 하면, 후술하는 바와 같이 바르크하우젠 노이즈가 지나치게 커져 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서는 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6≤λs≤0 의 범위 내로 하고 있다. 이 범위 내이면, 도 4 에서와 같이 어시메트리를 절대치로 5 % 이내에서 얻을 수 있고, 또한 바르크하우젠 노이즈를 비교적 작게 할 수 있어 바람직하다.
또한, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6~ 0 으로 하기 위해서는, 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성될 때, 도 3 에서와 같이 Ni 의 조성비를 81.5 ~ 84.5 wt % 의 범위 내에서 하면 된다는 것을 알 수 있다.
도 5 는 포화 자기 변형 정수 (λs) 와 바르크하우젠 노이즈와의 관계에 대한 그래프이다.
도면에서와 같이, 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 0 으로 하면 바르크하우젠 노이즈는 가장 작아지고, 포화 자기 변형 정수 (λs) 의 절대치를 크게 할수록 바르크하우젠 노이즈가 커지는 것을 알 수 있다.
포화 자기 변형 정수 (λs) 가 커질수록 바르크하우젠 노이즈가 커지는 것은 프리 자성층에 자벽 (磁壁) 이 발생되기 때문이다. 상술한 바와 같이, 스핀밸브형 박막소자에는 하이트 방향으로 인장응력이 작용하고 있으나, 국부적으로 보면 상기 응력은 어느 부분에서는 하이트 방면으로 반드시 작용하고 있는 것은 아니다.
이렇게, 응력의 방향이 불균일하면 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 커짐에 따라, 응력의 방향이 다른 부분에 자벽이 발생되기 쉽고, 그 결과 바르크하우젠 노이즈는 커진다.
바르크하우젠 노이즈는 가능한 한 작은 것이 바람직하고, 도 5 에서 나타내는 실험결과를 토대로 하여 바르크하우젠 노이즈를 5 % 이내에서 얻기 위해서는 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -1×10-6≤λs≤1×10-6의 범위 내로 할 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 이 범위 내에서 얻기 위해서는 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성되어 있을 때, 도 3 에서와 같이 Ni 의 조성비를 80.0 ~ 83.0 wt % 로 하지 않으면 안된다는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는, 도 4 와 도 5 에서와 같은 실험결과를 토대로 하여, 어시메트리가 절대치로 5 % 이내가 되고, 또한 바르크하우젠 노이즈가 5 % 이내로 되도록, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 의 범위를 결정하는 것이 보다 바람직하며, 따라서 본 발명에서의 보다 바람직한 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -1×10-6≤λs≤0 이다.
또한, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 이 범위 내에서 얻기 위해서는 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성되어 있을 때, 도 3 에서와 같이 Ni 의 조성비를 81.5 ~ 83.0 wt % 로 하지 않으면 안된다는 것을 알 수 있다.
이상에서와 같이, 스핀밸브형 박막소자의 하이트 방향에 인장응력이 작용하는 경우, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6~ 0, 보다 바람직하게는 -1×10-6~ 0 의 범위 내로 하면 역 자기 변형 효과에 의하여 프리 자성층의 자화는 트랙폭 방향으로 유기되므로, 상기 자화는 기록매체로부터의 누설자계에 대하여 양호한 자화반전을 일으켜 어시메트리를 보다 0 에 가깝게 할 수 있다. 또한, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 상기 범위 내이면 바르크하우젠 노이즈도 동시에 작게 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태인 스핀밸브형 박막소자의 구조를 ABS 면측에서 바라본 단면도
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태인 스핀밸브형 박막소자의 구조를 ABS 면측에서 바라본 단면도
도 3 은 프리 자성층을 NiFe 계 합금으로 형성한 경우의, Ni 의 조성비와 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 와의 관계를 나타내는 그래프
도 4 는 프리 자성층을 NiFe 계 합금으로 형성하고, 다시 상기 프리 자성층의 하이트 방향으로 약 300 MPa 의 인장응력 (tensile stress) 을 준 경우의, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 와 어시메트리 (asymmetry) 와의 관계를 나타내는 그래프
도 5 는 프리 자성층을 NiFe 계 합금으로 형성하고, 다시 상기 프리 자성층의 하이트 방향으로 약 300 MPa 의 인장응력을 준 경우의, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 와 바르크하우젠 노이즈와의 관계를 나타내는 그래프
도 6 은 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -1.0×10-6으로 하고, 상기 프리 자성층의 하이트 방향으로 0 MPa, 192 MPa 의 인장응력을 준 경우의, 각 응력에 있어서의 센스전류와 어시메트리와의 관계를 나타내는 그래프
도 7 은 종래의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 ABS 면측에서 바라본 단면도
도 8 은 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 2.0×10-6으로 하고, 상기 프리 자성층의 하이트 방향으로 0 MPa, 15 MPa, 70 MPa, 192 MPa 의 인장응력을 준 경우의, 각 응력에 있어서의 센스전류와 어시메트리와의 관계를 나타내는 그래프
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 반강자성층 2: 고정자성층
3; 비자성도전층 4: 프리자성층
5: 하드바이어스층 6: 바탕층
7: 보호층 8: 도전층
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 스핀밸브형 박막소자의 구조를 ABS 면측에서 본 단면도이다. 또한, 도 1 에서는 X 방면으로 연장된 소자의 중앙부만을 절단하여 나타낸다.
또한, 도 1 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자는 도 7 에서와 같은 종래의 스핀밸브형 박막소자와 같이 그 상하 및 하이트측의 면이 절연막에 의하여 덮여 있고, ABS 면 (정면) 만이 외부로 노출되어 있다.
도 1 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자의 열팽창계수는 상기 스핀밸브형 박막소자를 덮는 절연막의 열팽창계수보다도 크므로, 상기 스핀밸브형 박막소자에는 도시된 Y 방향 (하이트 방향) 으로 인장응력이 작용하고 있고 그 인장응력은 약 200 MPa ~ 300 MPa 이다.
또한, 도 1 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자는 하드디스크장치에 형성된 부상식 슬라이더의 트레일링측 단부 등에 형성되어 하드디스크 등의 기록자계를 검출하는 것이다. 또한, 하드디스크 등의 자기기록매체의 이동방향은 Z 방향이고, 자기기록매체로부터의 누설자계 방향은 Y 방향이다.
도 1 의 가장 아래에 형성되어 있는 것은 Ta (탄탈) 등의 비자성 재료로 형성된 바탕층 (6) 이다. 이 바탕층 (6) 위에 반강자성층 (1), 고정 자성층 (핀 자성층) (2) 이 적층되어 있다. 상기 반강자성층 (1) 과 고정 자성층 (2) 이 적층된 상태에서 소정의 크기의 자계 중에서 열처리가 이루어짐으로써 양층의 계면에서 교환이방성 자계가 얻어지고, 상기 고정 자성층 (2) 의 자화 방향이 Y 방향 (하이트 방향) 으로 단일 자구되어 고정된다.
본 발명에서는 상기 반강자성층 (1) 에 Pt-Mn 합금 (백금-망간) 합금을 사용하고 있다. Pt-Mn 합금은 Fe-Mn 계 합금 등에 비하여 내열성이 우수하고 또한 블로킹 온도도 높으며, 나아가 교환이방성 자계 (Hex) 가 큰 점 등 반강자성 재료로서 우수한 특성을 갖고 있다.
또한, Pt-Mn 합금을 대신하여 X-Mn (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 계 합금 또는 Pt-Mn-x (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 합금 등을 반강자성층 (1) 으로서 사용할 수도 있다.
또한, Pt-Mn 합금 및 X-Mn 계 합금의 조성비는 (Pt, X) : Mn = 1 : 9 ~ 3 : 7, 또는 1 : 0.7 ~ 1 : 1.3 인 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 1 : 1 이다.
또한, 고정 자성층 (2) 은 Ni-Fe (니켈-철) 합금, Co-Fe (코발트-철) 합금, Co, CoFeNi 합금 등으로 형성되어 있다.
상기 고정 자성층 (2) 위에는 Cu (구리) 등의 전기적 저항이 낮은 비자성 도전층 (3) 이 형성되고, 나아가 프리 자성층 (4), Ta 등의 보호층 (7) 이 적층되어 있다. 또한, 상기 프리자성층 (4) 은 상기 고정 자성층 (2) 에 사용되는 자성재료로 형성되어 있다.
바탕층 (6) 에서 보호층 (7) 까지의 6 층은 스퍼터법 등에 의하여 적층된 후, 도 1 에서와 같이 그 양측이 경사면으로 절삭된다. 그리고, 상기 6 층의 양측에 하드바이어스층 (5) 이 형성되고, 나아가 상기 하드바이어스층 (5) 위에 도전층 (8) 이 형성된다.
상기 하드바이어스층 (5) 은, 예를 들어 Co-Pt (코발트-백금) 합금 또는 Co-Cr-Pt (코발트-크롬-백금) 합금 등으로 형성되어 있다. 또한, 도전층 (8) 은 W (텅스텐) 또는 Cu (구리) 등으로 형성되어 있다.
상기 하드바이어스층 (5) 은 도시된 X 방향 (트랙 방향) 으로 자화되어 있고, 프리 자성층 (4) 의 자화는 상기 하드바이어스층 (5) 의 영향을 받아 도시된 X 방향에서 마련되어진다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태인 스핀밸브형 박막소자의 구조를 ABS 면측에서 본 단면도이다.
도 2 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자는 도 1 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자의 적층 순서를 반대로 한 것이다. 즉, 도 2 에서는 바탕층 (6) 위에 프리 자성층 (4), 비자성 도전층 (3), 고정 자성층 (2), 및 반강자성층 (1) 이 연속적으로 적층되어 있다.
또한, 도 2 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자의 프리 자성층 (4) 은 반강자성층 (1) 보다도 하방에 형성되어 있으므로, 하드바이어스층 (5) 막두께의 두꺼운 부분과 인접되어 있고, 따라서 상기 프리 자성층 (4) 의 자화는 용이하게 X 방향에서 마련되어 있다.
또한, 도 2 에서와 같은 반강자성층 (1) 은 도 1 에서와 같은 반강자성층 (1) 과 같이 Pt-Mn 합금, X-Mn 합금, 또는 Pt-Mn-X 합금으로 형성되어 있으나, 반강자성 재료로서 Pt-Mn 합금, X-Mn 합금, 또는 Pt-Mn-X 합금을 이용하면 이 반강자성층 (1) 의 상하 어느 한쪽에 고정 자성층 (2) 을 형성해도 계면에서 교환이방성 자계를 발생시킬 수 있다.
도 1 및 도 2 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자에서는, 도전층 (8) 에서 고정 자성층 (2), 비자성 도전층 (3) 및 프리 자성층 (4) 으로 정상전류 (센스전류) 가 보내지나, 기록매체에서 Y 방향에 자계가 가해져도 프리 자성층 (4) 의 자화방향은 X 방향에서 Y 방향으로 방향이 변화된다. 이 때, 비자성 도전층 (3) 과 고정 자성층 (2) 의 계면, 또는 비자성 도전층 (3) 과 프리 자성층 (4) 과의 계면에서 전도전자의 산란상태가 변화되고 전기저항이 변화한다. 따라서, 검출출력을 얻을 수 있다.
본 발명에서, 전술한 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 부의 값으로 되어 있는데, 이것은 프리 자성층 (4) 의 자화를 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 에서 적절하게 마련하기 위해서이다.
전술한 바와 같이, 도 1 에서와 같은 스핀밸브형 박막소자에서는 ABS 면 (정면) 만이 외부로 노출되고 기타의 면이 절연막으로 덮여있으므로, 상기 스핀밸브형 박막소자에는 도시된 Y 방향 (하이트 방면) 으로 인장응력이 작용한다.
따라서, 상기 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 부의 값으로 하면, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층 (4) 의 자화를 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 으로 유기시킬 수 있고, 상기 프리 자성층 (4) 의 자화를 도시된 X 방향에서 적절하게 마련할 수 있다.
이로써, 기록매체로부터의 누설자계에 의한 상기 프리 자성층 (4) 의 자화반전은 양호해지고, 따라서 본 발명에서는 재생출력파형의 상하의 대칭성을 높일 수 있어, 이른바 어시메트리를 보다 0 에 접근시킬 수 있다.
어시메트리를 보다 0 에 접근시키기 위해서는 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 부의 값으로 하여 절대치를 크게 하면 되나, 절대치가 지나치게 크면 바르크하우젠 노이즈가 커지므로 바람직하지 않다.
본 발명에서, 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -2×10-6≤λs≤0, 보다 바람직하게는 -1×10-6≤λs≤0 의 범위 내로 되어 있다. 이 범위 내라면 어시메트리를 보다 0 에 접근시킬 수 있으며, 동시에 바르크하우젠 노이즈를 보다 작게 할 수 있어 바람직하다.
그런데, 상기 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 상기 범위 내로 조절하기 위해서는 상기 프리 자성층 (4) 을 형성하는 연자성 재료의 조성비를 적절하게 조절하면 된다.
예를 들어, 상기 프리 자성층 (4) 이 NiFe 계 합금으로 형성되어 있을 때, Ni 의 조성비를 81.5 ~ 84.5 wt %, 잔부를 Fe 의 조성비로 하면, 상기 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6≤λs≤0 의 범위 내에서 할 수 있다.
또는, 상기 프리 자성층 (4) 이 NiFe 계 합금으로 형성되어 있을 때, Ni 의 조성비를 81.5 ~ 83.0 wt %, 잔부를 Fe 의 조성비로 하면, 상기 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -1×10-6≤λs≤0 의 범위 내에서 할 수 있다.
다음으로, 고정 자성층 (2) 이 프리 자성층 (4) 과 동일한 재질 및 조성비로 형성되어, 상기 고정 자성층 (2) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 부의 값으로 되면, 상기 고정 자성층 (2) 에도 프리 자성층 (4) 과 동일하게 도시된 Y 방향 (하이트 방향) 으로 인장응력이 작용하므로, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 고정 자성층 (2) 의 자화는 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 으로 기울어져 유기되게 된다.
상술한 바와 같이, 고정 자성층 (2) 의 자화는 도시된 Y 방향에서 마련되고 고정되어 있으나, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 고정 자성층 (2) 의 자화 방향이 도시된 Y 방향으로부터 기울어지면 어시메트리는 악화되어 버린다.
따라서, 본 발명에서는 상기 고정 자성층 (2) 의 자화를 도시된 Y 방향에 확실하게 고정시키기 위하여, 상기 고정 자성층 (2) 의 계면에서 큰 교환이방성 자계를 발생시키는 반강자성층 (1) 이 선택되고 있다.
본 발명에서는 상기 반강자성층 (1) 으로서 Pt-Mn 합금이 사용된다. Pt 와 Mn 의 조성비를 1 : 1 로 할 경우의 Pt-Mn 합금은 교환이방성 자계가 커서 최대로 900 Oe 정도이다. 또한, 내열성이 우수하고, 나아가 블로킹 온도가 약 380 ℃ 로 높으므로, 예를 들어 스핀밸브형 박막소자가 고온중에서 동작해도 상기 고정 자성층 (2) 의 자화가 역 자기 변형 효과에 의하여 도시된 Y 방향으로부터 기울어지는 일이 없다.
이상으로 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명에서는 스핀밸브형 박막소자의 도시된 Y 방향 (하이트 방향) 으로 인장응력이 작용하는 경우, 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6≤λs≤0, 바람직하게는 -1×10-6≤λs≤0 으로 함으로써, 역 자기 변형 효과에 의하여 프리 자성층 (4) 의 자화를 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 으로 유기시킬 수 있다. 따라서, 상기 프리 자성층 (4) 의 자화를 적절한 성질로 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 에서 마련할 수 있고, 양호한 어시메트리를 얻을 (어시메트리를 보다 0 으로 접근시킴) 수 있게 된다.
또한, 스핀밸브형 박막소자의 도시된 Y 방향 (하이트 방향) 으로 인장응력이 작용하는 이유는 전술한 바와 같이 상기 스핀밸브형 박막소자의 ABS 면을 제외하고 그 이외의 면이 절연막에 의하여 덮여 있고, 상기 스핀밸브형 박막소자의 열팽창계수가 상기 절연막의 열팽창계수에 비하여 높게 되어 있기 때문이다. 예를 들어, 절연막의 재질은 Al2O3(산화알루미늄), AlN (질화알루미늄), SiC (탄화규소), C (다이아몬드형상 탄소) 등으로, 열팽창계수는 8×10-6이하이다.
만일, 스핀밸브형 박막소자의 열팽창계수가 상기 스핀밸브형 박막소자의 ABS 면 이외의 면을 덮는 막의 열팽창계수보다도 작은 경우, 상기 스핀밸브형 박막소자에는 하이트 방향으로 단축되는 방향의 응력이 작용하게 된다.
이 경우에는 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 정의 값으로 함으로써, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층 (4) 의 자화를 트랙폭 방향으로 유기시킬 수 있게 되어 어시메트리를 0 으로 접근시킬 수 있게 된다.
[실시예]
본 발명에서는 도 1 에서 나타내는 스핀밸브형 박막소자의 도시된 Y 방향 (하이트 방향) 으로 인장응력을 주고, 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -1×10-6으로 한 경우의 센스전류 (Is) 와 어시메트리와의 관계에 대하여 측정하였다. 그 실시결과를 도 6 에 나타내었다.
도 6 에서와 같이 인장응력이 192 MPa 주어졌을 경우가, 인장응력이 주어지지 않은 (0 MPa) 경우에 비하여 어시메트리가 보다 0 으로 접근되어 있다는 것을 알 수 있다.
이것은 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 부의 값이고, 인장응력이 주어지면 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층 (4) 의 자화가 도시된 X 방향 (트랙폭 방향) 으로 유기되기 때문이다.
여기에서, 도 6 과 도 8 을 비교하기로 한다. 또한, 도 8 은 도 7 에서도시된 프리 자성층 (31) 이 2×10-6의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 갖는 경우의, 센스전류 (Is) 와 어시메트리와의 관계를 나타내는 그래프이다.
실제의 스핀밸브형 박막소자의 하이트 방향에는 200 ~ 300 MPa 정도의 인장응력이 작용하는 것이 알려져 있으므로, 이 값에 가장 가까운 도 6 에서와 같은 192 MPa 의 응력이 작용했을 경우의 어시메트리와, 도 8 에서와 같은 192 MPa 의 응력이 작용했을 경우의 어시메트리를 비교해 볼 때, 예를 들어 센스전류가 -10 ㎃ 일 때, 도 6 에서와 같은 어시메트리가 약 -30 % 인 것에 대하여, 도 8 에 있어서의 어시메트리는 약 -70 % 이다.
이렇게, 양호한 어시메트리를 얻기 위해서는 스핀밸브형 박막소자에 인장응력이 작용했을 경우, 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 부의 값으로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
또는, 도 8 에서와 같은 192 MPa 의 응력이 작용했을 경우의 어시메트리는 센스전류가 약 8 ㎃ 일 때 거의 0 이 되나, 상기 어시메트리의 경사가 매우 급하므로, 센스전류가 8 ㎃ 이상이 되면 어시메트리가 급격히 커져 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, 도 6 에서와 같은 192 MPa 의 응력이 작용했을 경우의 어시메트리는, 센스전류가 약 5 ㎃ 일 때 거의 0 이 되나, 상기 어시메트리의 경사가 매우 완만하므로, 센스전류가 5 ㎃ 이상이 되어도 상기 어시메트리는 그다지 커지지 않는 것을 알 수 있다.
이렇게, 프리 자성층 (4) 의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 부의 값이면, 센스전류의 넓은 범위에서 양호한 어시메트리를 얻을 수 있게 된다.
이상으로 상세히 설명한 본 발명에 의하면, 스핀밸브형 박막소자가 하이트 방향으로 인장응력이 작용하고 있을 경우, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 를 -2×10-6≤λs≤0, 보다 바람직하게는 -1×10-6≤λs≤0 으로 하면, 역 자기 변형 효과에 의하여 상기 프리 자성층의 자화를 트랙폭 방향으로 유기시켜 상기 프리 자성층의 자화를 트랙폭 방향에서 적절하게 마련할 수 있게 된다.
따라서, 재생 시에 있어서 프리 자성층의 자화반전은 양호해지고, 재생출력파형의 상하 비대칭성, 이른바 어시메트리을 0 에 접근시키는 (양호한 것으로 하는) 것이 가능해진다.
또한, 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 가 전술한 범위 내라면, 어시메트리를 보다 0 으로 접근시킬 수 있음과 동시에, 바르크하우젠 노이즈를 작게 할 수 있다.
여기에 기술된 본 발명의 실시예에 대해 여러 가지 변형이 본 발명을 실현하는데 있어 채용될 수 있는 것으로 이해되어져야 한다. 따라서, 다음의 청구범위가 본 발명의 범위를 규정하는 것으로, 그리고 이들 청구범위 내의 방법 및 구성들 그리고 그들의 등가적인 것들이 청구범위에 의해 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (16)

  1. 반강자성층과, 이 반강자성층과 접하여 형성되고, 상기 반강자성층과의 교환이방성 자계에 의하여 자화 방향이 고정되는 고정 자성층과, 상기 고정 자성층에 비자성 도전층을 통하여 형성된 프리 자성층을 갖고, 나아가 상기 프리 자성층의 자화 방향을 상기 고정 자성층의 자화 방향과 교차되는 방향에서 마련하는 바이어스층과, 상기 고정 자성층과 상기 비자성 도전층과 상기 프리 자성층에 검출전류를 보내는 도전층으로 형성되어 이루어지며, 상기 프리 자성층의 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -2×10-6≤λs≤0 인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 포화 자기 변형 정수 (λs) 는 -1×10-6≤λs≤0 인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성된 경우, NiFe 계 합금의 조성비는 NiXFe100-X로 표시되고, 조성비 (x) 는 wt % 로서,
    81.5≤x≤84.5
    인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반강자성층이 PtMn 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 프리 자성층이 NiFe 계 합금으로 형성된 경우, NiFe 계 합금의 조성식은 NiXFe100-X로 표시되고, 조성비 (x) 는 wt % 로서,
    81.5≤x≤83
    인 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 반강자성층이 PtMn 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 반강자성층이 PtMn 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  8. 제 4 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, X-Mn 계 합금 (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  9. 제 4 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, Pt-Mn-X 계 합금 (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 반강자성층이 PtMn 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  11. 제 6 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, X-Mn 계 합금 (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  12. 제 6 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, Pt-Mn-X 계 합금 (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  13. 제 7 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, X-Mn 계 합금 (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  14. 제 7 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, Pt-Mn-X 계 합금 (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  15. 제 10 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, X-Mn 계 합금 (X=Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자.
  16. 제 10 항에 있어서, PtMn 합금을 대신하여, Pt-Mn-X 계 합금 (X=Ni, Pd, Rh, Ru, Ir, Cr, Co) 이 사용되는 것을 특징으로 하는 스핀밸브형 박막소자
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