具有软磁性和稳定高磁矩的主磁极的垂直写入器的制作方法

文档序号:6768114阅读:474来源:国知局

专利名称::具有软磁性和稳定高磁矩的主磁极的垂直写入器的制作方法供参照的相关申请本申请要求AlexanderMikhailovichShukh、VladyslavAlexandrovichVas’ko和DeclanMacken在2002年5月28日提交的题为“PerpendicularWriterwithMagneticallySoftandStableHighMagneticMomentMainPole”(“具有软磁性和稳定高磁矩的主磁极的垂直写入器”)的临时美国专利申请No.60/385,568的优先权。用于垂直记录的磁头总地由两部分构成一用于将磁性编码信息储存在磁性介质(磁盘)上的写入器部分和一用于从介质中读取磁性编码信息的读出器部分。读出器部分通常包括一底部屏蔽件、一顶部屏蔽件和置于底部和顶部屏蔽件之间的一传感器,该传感器通常由磁阻(MR)材料构成。从磁盘(介质)表面发出的磁通使MR传感器的传感层的磁化矢量旋转,这又使得MR传感器的电阻率发生变化。这种MR传感器的电阻率变化可以藉助使电流通过MR传感器并测量跨越MR传感器的电压来检测。然后,外部电路就将电压信息转换成一适当的格式并如所需地对信息进行操作,以恢复编码在磁盘上的数据。用于垂直记录的磁头的写入器部分通常包括一主磁极和一返回磁极,它们在写入器的空气承载表面(ABS)处被一无磁性的间隙层相互磁性隔开,并在离开该ABS的一区域处通过一背面间隔件相互磁性连接。在主磁极和返回磁极之间至少部分地定位有一层或多层由一绝缘层密封的导电线圈。ABS是紧靠垂直介质的磁头表面。写入器部分和读出器部分经常被设置成一种合并结构,其中一公用磁极被同时用作读出器部分的顶部或底部屏蔽件和写入器部分的返回磁极。为了将数据写入到磁性介质上,可使一电流流过导电线圈,藉此使磁场跨越主磁极和返回磁极之间的写入间隙。通过倒转流过线圈的电流极性,写入磁性介质的数据的极性也被倒转。通过主磁极的后缘来记录双层垂直介质上的数据。因此,主磁极限定了写入数据的磁道宽度。更具体地说,磁道宽度由ABS处的主磁极的宽度限定。主磁极和返回磁极由软磁材料制成。当写入电流施加于线圈时,它们在记录期间都在介质中产生磁场。然而,主磁极具有截面积小得多的ABS,并且由具有更高磁矩的磁性材料制成,从而产生比返回磁极强得多的写入磁场。当主磁极处于静止状态,即没有来自写入线圈的写入电流场时,主磁极的磁矩应当沿平行于ABS的易磁化轴定向。当磁矩在经受多种写入电流场之后无法返回到平行于ABS的取向时,主磁极是不稳定的。在不稳定的磁极中,即使在切断施加于写入线圈的电流之后,磁矩的取向也无法保持平行于ABS位置。因而,主磁极会形成磁通,并且会损坏甚至擦除来自磁盘的数据。此外,在施加电流时,不稳定的磁极会增加转换时间。在用于超高磁道密度记录的垂直磁头中,由于在ABS处跨越磁极宽度的强退磁场必须使用具有最高可用值的磁矩饱和度的磁性材料(即使这些材料具有较差的各向异性和相对较高的矫顽磁性),因此主磁极是不稳定性的主要来源。与主磁极的磁稳定性及其磁矩返回到平行于ABS的取向有关的一个因素是其单轴各向异性。单轴各向异性是将主磁极的磁矩从平行于ABS的取向旋转到垂直于ABS的取向所需的施加磁场数量的量度标准。如果单轴各向异性过低、矫顽磁性足够高的话,主磁极中的磁矩无法在消除写入电流之后始终返回到平行于ABS的位置。因而,有可能会擦除垂直介质上的记录数据。介质中的写入磁场的强度与主磁极材料的磁矩成正比。最好将具有高磁矩饱和度(或高磁通密度饱和度)的材料用于构造超高磁道密度记录用磁头中的主磁极。因此,在增加主磁极材料的磁矩饱和度时,可以减少主磁极尖的磁道宽度,用以增加磁盘驱动器的储存能力。具有高磁矩的材料示例是铁钴合金(FeCo)。CoFe合金可通导大量磁通,并藉此允许使用十分狭窄的磁极尖,导致磁道宽度十分狭窄,藉此供超高记录密度使用。不幸的是,虽然CoFe薄膜具有最高的磁矩饱和度,但由于较差的各向异性和相对较高的矫顽磁性,它们并不具有良好的磁稳定性。这意味着磁矩在亚微米宽度的主磁极尖中经受多次写入电流场的步骤之后可能不会返回到平行于ABS的位置。因此,十分需要提供一种磁稳定且由高磁矩饱和度的材料制成的写入器。这样一种稳定的写入器可以减少转换时间,增加磁盘的数据率并且防止在切断写入电流之后无意地擦除垂直介质上的数据。图2是本发明的垂直写入器的第一实施例的剖视图。图3是本发明的垂直写入器的第二实施例的剖视图。图4是本发明的垂直写入器的第三实施例的剖视图。在磁盘驱动器12的工作期间,磁盘24的旋转会使空气运动与滑动器20相交汇。这种空气运动用以使滑动器20保持在磁盘24表面上方一较小距离处,允许滑动器20在磁盘24表面上方飞动。有选择地运行VCM13,以使致动臂14围绕轴线30移动,藉此移动悬架16并定位由滑动器20支承在磁盘24的磁道26上方的换能磁头(图中未示出)。正确地定位换能磁头对于读写磁盘24的同心磁道26上的数据来说是必要的。图2是本发明的垂直写入器36的第一实施例的剖视图。用于垂直记录的介质24包括具有高矫顽磁性和垂直各向异性(沿大致垂直于介质24表面的方向保持磁化作用)的薄储存层32以及具有高磁导性和易磁化轴的平面内取向的软磁底层或定位件34。写入器36包括主磁极38、主磁极延伸部48和返回磁极40,它们通过远端处的背面间隔件42相互联接,并且通过ABS处的写入间隙46以及位于主磁极延伸部48和返回磁极40之间的写入线圈44彼此隔开。主磁极38作为用于介质24的给定运动方向47的后磁极。通过主磁极38的后缘49来记录介质24上的磁化强度转变。为了在介质24中提供良好的写入磁场强度,包括后缘49的主磁极38的磁性层50(这里图示为顶层)由高磁矩材料制成。主磁矩38在ABS处具有亚微米宽度,以便提供在记录介质24上的超窄磁道上的记录。此外,主磁极38的建议结构增加了顶部磁性层50的单轴各向异性,藉此使其磁性更加稳定。为了将数据写入到垂直的磁性介质24,让一随时间变化的写入电流流过线圈44,这又将产生一通过主磁极38和返回磁极44的、随时间变化的磁场。介质24然后以一预定的距离通过写入器36的ABS,以使介质24暴露于磁场。使用垂直写入器36时,磁性介质24的软磁定位件34实质上作为写入器的第三磁极。一用于从写入器36到介质24的磁通量的封闭磁路从主磁极38通过介质24的储存层32行进到软磁定位件34,并再次经由储存层32通过返回磁极40返回到写入器36。为了确保磁场不将数据写入在该返回路径上,返回磁极40在ABS处的表面积最好远大于主磁极38在ABS处的表面积。因而,影响返回磁极40下方的储存层32的磁场强度不足以克服储存层32的成核场。在较佳实施例中,主磁极38的厚度在约0.05至约1微米之间。主磁极38最好具有一多层结构,并且最好形成在主磁极延伸部48上。多层磁极38最好包括由高磁矩材料制成的磁性层50(这里被图示成顶部磁性层50);无磁性的薄间隔层52;以及由具有边界明确的各向异性的软磁材料制成的磁性层54(这里被图示成底层54)。该多层磁极结构在顶部磁性层50中产生平行于ABS方向的各向异性,藉此增加主磁极38的磁稳定性,同时保持使用高磁矩材料的高写入能力和高数据率优点。根据本发明,当顶部磁性层50跨越无磁性层52与软磁底层54联接时,联接的多层系统的特性与由单层高磁矩材料制成的主磁极相比改进了主磁极38的特性。虽然写入器36的诸层被图示成平面层,但也应考虑到它们可以沿着其它轮廓。另外,图示并未按比例呈现。任何具有高磁矩的适当材料都可以用于顶部磁性层。在较佳实施例中,使用Co成分的范围在约30%至约50%内的FeCo合金。该合金具有约2.4特斯拉的饱和磁矩。顶部磁性层50可以具有任何使用在写入器36中的适当厚度;较佳地是约为0.05至约1微米厚,更佳地是约为0.1至约0.5微米厚。可以将其磁矩低于顶部磁性层50的材料的磁矩的任何适当材料用于磁性底层54。该材料最好也具有软磁性,较佳地是具有小于5奥斯特的矫顽磁性,更佳地是具有小于1奥斯特的矫顽磁性,用于磁性底层54的材料最好具有比用于顶部磁性层50的材料更低的矫顽磁性。所选择的材料最好具有边界明确的磁各向异性,意味着其具有平行于ABS的易磁化轴的稳定取向。在较佳实施例中,磁性底层54由CoNiFe、FeCoN、CoNiFeN、FeAlN、FeTaN、FeN、NiFe(例如Ni80Fe20、Ni45Fe55等)、NiFeCr、NiFeN、CoZr、CoZrNb、FeAlSi或其它适当材料制成。较佳地是,磁性底层54具有小于约2特斯拉的饱和磁矩,更佳地是小于约1.5特斯拉,最佳地是小于约1.0特斯拉。应当注意的是,虽然磁性底层54的材料相对于顶部磁性层50的材料具有较低的磁矩,但磁性底层54的材料在绝对项中仍然被认为是高磁矩材料。磁性底层54可以具有任何适当的厚度,但较佳地是小于约0.2微米厚,更佳地是小于约0.05微米厚。无磁性间隔层52可以由任何无磁性材料制成,该材料与用于顶部磁性层50和磁性底层54的磁性材料机械和化学相容。在较佳实施例中,铜(Cu)或钌(Ru)可用于无磁性间隔层52,其中顶部磁性层50由FeCo制成,磁性底层54由Ni80Fe20制成。在顶部磁性层50和磁性底层54之间使用无磁性间隔层52会导致顶部磁性层50和磁性底层54之间形成反铁磁性(AFM)交换联接。该联接在取向平行于ABS的顶部磁性层50中产生各向异性,致使顶部磁性层50具有磁性更加稳定的磁畴(domain)结构,并因此由于磁能的减少而具有更加稳定的主磁极38。根据RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)相互作用,无磁性间隔层52导致顶部磁性层50和磁性底层54之间的周期性联接。反铁磁性和铁磁性之间的联接质量随着无磁性间隔层52的厚度而变,并且取决于无磁性间隔层52的材料的结晶取向。在顶部磁性层50由Fe60Co40制成、磁性底层54由Ni80Fe20制成的较佳实施例中,无磁性间隔层52的材料最好具有111结晶取向。合适的无磁性材料包括诸如铜、钌、金、铜-银合金和多种氧化物(包括氧化铝和二氧化硅)。优选的无磁性材料是那些在诸如铜、钌、金和铜-银合金之类的相邻磁性层之间提供反铁磁性交换联接的材料。应当考虑到的是,可以选择其它结晶取向的无磁性材料,以符合其它用于顶部磁性层50和磁性底层54的磁性材料的选择。在较佳实施例中,选择无磁性间隔层52的厚度,以使顶部磁性层50和磁性底层54之间联接的反铁磁性最大化。如果对应于第一反铁磁性峰值的厚度导致无磁性间隔层过薄而不能实际使用,则可以使用对应于下一个反铁磁性峰值的无磁性间隔层52的厚度,依此类推。在一个实施例中,Cu或Ru间隔层52具有约5至约200埃()的厚度,更佳的是具有约6至约30的厚度,最佳的是具有约18至约25的厚度。在本发明中,无磁性间隔层52不仅利用反铁磁性联接顶部磁性层50和磁性底层54,而且也磁性地软化由CoFe合金制成的顶部磁性层50。顶部磁性层50和无磁性间隔层52的分界面处的原子之间的量子相互作用改变了顶部磁性层50的晶体结构,导致粒度下降、矫顽磁性减少、各向异性增加和磁稳定性变大。可以将任何适当的材料用于主磁极延伸部48,该主磁极延伸部使用在一个实施例中,以增加写入器36的效率,并且增强多层主磁极38的各向异性和结构及磁性的一体化。延伸部48最好从ABS处下陷约0.2至约2微米的距离,以使延伸部48不会在ABS处增加主磁极38的磁道宽度。主磁极38在ABS处的狭窄磁道宽度允许高磁道密度记录并且可以防止有关歪斜的侧写入作用。在一个实施例中,主磁极延伸部48由诸如CoNiFe、FeCoN、CoNiFeN、FeAlN、FeTaN、FeN、NiFe(例如Ni80Fe20、Ni45Fe55等)、NiFeCr、NiFeN、CoZr、CoZrNb、CoZrTa、FeAlSi之类磁性材料或其它适当材料制成。选定的材料最好具有边界明确的磁各向异性,意味着其具有边界明确的易磁化轴和难磁化轴。材料最好具有软磁性,较佳的是矫顽磁性小于约5奥斯特,更佳的是小于约1奥斯特。延伸部48最好具有大于约500的磁导率,更佳的是大于约1000。在这样的一个实施例中,由于它们之间的强铁磁联接,主磁极延伸部48还可用作磁性底层54的延伸部,藉此有助于与顶部磁性层50反铁磁性联接。然而,由于延伸部48最好短于磁性底层54,因此它不会在ABS处暴露并因而减少影响介质24的相关歪斜作用。因而,可以根据需要决定延伸部48的厚薄,以使其有效地利于顶部磁性层50和磁性底层54的磁稳定性。主磁极延伸部48的厚度最好处在约0.1至约2微米的范围内。在较佳实施例中,延伸部48由与磁性底层54相同的材料制成。在另一个实施例中,延伸部48被省略。可将任何适当的磁性材料用于背面间隔件42。在较佳实施例中,背面间隔件42由诸如CoNiFe、NiFe、Ni80Fe20、Ni45Fe55、NiFeCr、CoZr、FeN、FeAlSi之类软磁材料或其它适当材料制成。图3是本发明的垂直写入器64的第二实施例的剖视图。与图2的实施例相比,图3的实施例具有一层叠式顶部磁性层50。在一个实施例中,顶部磁性层50由两个磁性子层66和68构成,这两个磁性子层被无磁性层70相互隔开。磁性子层66和68由FeCo制成,磁性底层54由NiFe或CoNiFe制成,无磁性间隔层52和无磁性层70由Cu构成。如上面结合图2所述,也可以使用其它适当的材料。磁性子层66可以由与子层68相同的材料构成,或者它们可以由不同的材料构成。类似地,无磁性间隔层52可以由与无磁性层70相同的材料构成,或者它们可以由不同的材料构成。与图2所示的实施例一样,顶部磁性多层50通过无磁性间隔层52与磁性底层54反铁磁性联接。此外,磁性子层66和68通过无磁性层70相互反铁磁性联接。因而,每个铁磁层的磁化相对于相邻的铁磁层是反平行的,致使由于磁能降低而形成磁性更稳定的磁畴构造。应当考虑到,与无磁性层相交替的附加磁性层可用来形成层叠式顶部磁性层50。图4是本发明的垂直写入器72的第三实施例的剖视图。在该实施例中,返回磁极40包括具有交替关系的(n)个磁性层74和(n-1)个无磁性层76,其中n是等于1或大于1的整数。每个磁性层74通过无磁性层76与每个相邻的磁性层74反铁磁性联接。与主磁极38一样,该构造允许返回磁极40具有较高的磁通承载能力并通过抑制磁畴壁的形成来保持磁性稳定。这可以防止返回磁极40擦除介质24的信息。可以将任何适当的磁性和无磁性材料用于诸交替层。例如,对于磁性层76,可以使用诸如CoNiFe、FeCoN、CoNiFeN、FeAlN、FeTaN、NiFe(例如Ni80Fe20、Ni45Fe55等)、NiFeCr、NiFeN、CoZr、CoZrNb、FeAlSi之类材料或类似的材料。材料最好具有软磁性,较佳的是具有小于约5奥斯特的矫顽磁性,更佳的是小于约1奥斯特。选定的材料最好具有边界明确的磁各向异性特征,意味着其具有边界明确的易磁化轴和难磁化轴。用于磁性层74的最佳材料是Ni80Fe20、CoNiFe、FeCoN、FeAlN、FeAlSi和FeTaN。在一个较佳实施例中,每个磁性层74由相同的材料制成;然而,在另一个实施例中,磁性层74可以由不同的材料构成。无磁性层76可以由任何无磁性材料构成,只要该材料与用于磁性层74的磁性材料机械和化学方式相容即可。合适的无磁性材料包括诸如铜、钌、金、铜-银合金和多种氧化物(包括诸如氧化铝和二氧化硅)。在一个较佳实施例中,每个无磁性层76由相同的材料制成;然而,在另一个实施例中,无磁性层76可以由不同的材料构成。由于并不一定要将返回磁极40做薄,因此可以在返回磁极40中使用厚度大于主磁极38的磁性材料。较佳的是,返回磁极40的所有磁性层在ABS处的总的截面积比主磁极38的所有磁性层的总的截面积大10倍,更佳的是大100倍。应当考虑到的是,这种返回磁极40的层状构造可以与任何构造的主磁极38一起使用。尽管已经结合较佳实施例叙述了本发明,但本
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的技术人员将要认识到,可以在不背离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节作出改变。权利要求1.一种具有一空气支承表面的垂直写入器,所述写入器包括一主磁极,所述主磁极包括一第一磁性层,所述第一磁性层具有一第一磁矩;一邻接所述第一磁性层的无磁性层;以及一邻接所述无磁性层的第二磁性层,所述第二磁性层具有一第二磁矩,该第二磁矩低于第一磁矩,所述第二磁性层与所述第一磁性层反铁磁性联接;一返回磁极;以及一位于所述主磁极和所述返回磁极之间的背面间隔件。2.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述第一磁性层还包括一后缘,所述第一磁性层是一顶部磁性层;所述无磁性层是一无磁性间隔层;以及所述第二磁性层是一磁性底层。3.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,它还包括一导电线圈,所述导电线圈至少部分地位于所述主磁极和所述返回磁极之间。4.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,它还包括一位于所述第二磁性层和所述背面间隔件之间的主磁极延伸部层,所述主磁极延伸部层从空气支承表面下陷。5.如权利要求4所述的垂直写入器,其特征在于,所述第二磁性层和所述主磁极延伸部层由相同材料构成。6.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,它还包括一邻接所述第一磁性层的第二无磁性层;以及一邻接所述第二无磁性层的第三磁性层,所述第三磁性层与所述第一磁性层反铁磁性联接。7.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述返回磁极还包括多个磁性层;以及一无磁性层,所述无磁性层位于多个磁性层中的每一个之间;其中,每个磁性层与每个相邻磁性层反铁磁性联接。8.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述第一磁性层由包括铁和钴的合金构成。9.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述无磁性层由铜构成。10.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述第二磁性层由包括镍和铁的合金构成。11.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述返回磁极在空气支承表面处的磁性材料的表面积大于所述主磁极在空气支承表面处的磁性材料的表面积。12.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述第一磁性层具有一第一矫顽磁性;以及所述第二磁性层具有一第二矫顽磁性,该第二矫顽磁性小于第一矫顽磁性。13.如权利要求1所述的垂直写入器,其特征在于,所述无磁性层具有一111结晶取向。14.一种具有一空气支承表面的垂直写入器,所述写入器包括一主磁极,所述主磁极包括一第一磁性层,所述第一磁性层具有一第一磁矩;一邻接所述第一磁性层的无磁性层;一邻接所述无磁性层的第二磁性层,所述第二磁性层具有一第二磁矩,该第二磁矩低于第一磁矩,所述第二磁性层与所述第一磁性层反铁磁性联接;以及一邻接所述第二磁性层的主磁极延伸部层,所述主磁极延伸部层不延伸到空气支承表面;一返回磁极;一位于所述主磁极和所述返回磁极之间的背面间隔件;以及一导电线圈,所述导电线圈至少部分地位于所述主磁极和所述返回磁极之间。15.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述第二磁性层和所述主磁极延伸部层由相同材料构成。16.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述主磁极是一层叠结构,所述主磁极还包括一邻接所述第一磁性层的第二无磁性层;以及一邻接所述第二无磁性层的第三磁性层,所述第三磁性层与所述第一磁性层反铁磁性联接。17.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述返回磁极还包括多个磁性层;以及一无磁性层,所述无磁性层位于多个磁性层中的每一个之间;其中,每个磁性层与每个相邻磁性层反铁磁性联接。18.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述第一磁性层由包括铁和钴的合金构成。19.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述无磁性层由铜构成。20.如权利要求14所述的垂直写入器,其特征在于,所述第二磁性层由包括镍和铁的合金构成。21.一具有一空气支承表面的垂直写入器,所述写入器包括一主磁极,所述主磁极包括一铁-钴合金层;一邻接所述铁-钴合金层的铜层;以及一邻接所述铜层的镍-铁合金层,所述镍-铁合金层与所述铁-钴合金层反铁磁性联接。一返回磁极;以及一位于所述主磁极和所述返回磁极之间的背面间隔件。全文摘要本发明是一垂直写入器,该垂直写入器具有一空气支承表面、一具有延伸部的主磁极、返回磁极和一位于主磁极延伸部和返回磁极之间的背面间隔件。主磁极包括一顶部磁性层和一软磁底层,它们被一无磁性间隔层隔开。主磁极延伸部直接接触主磁极,并且从空气支承表面下陷。顶部磁性层在ABS处形成主磁极的后缘,并且具有大于软磁底层的磁矩的磁矩。此外,顶部磁性层和软磁底层通过无磁性的间隔薄层相互反铁磁性联接。无磁性间隔层主要具有111结晶构造,并且促进矫顽磁性和晶粒度的降低以及顶部磁性层材料的各向异性的增加。文档编号G11B5/127GK1469345SQ03138618公开日2004年1月21日申请日期2003年5月28日优先权日2002年5月28日发明者A·M·苏霍,V·A·瓦斯科,D·麦卡恩,AM苏霍,ǘ,瓦斯科申请人:西加特技术有限责任公司
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