磁头及其制造方法

专利名称：磁头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于高道密度垂直磁记录的头，尤其涉及这样的头的磁极的制造。
背景技术：
数据传统上以纵向模式存储在与硬驱动器盘表面相邻的薄磁介质层中，即，所存储信息的位(bit)的磁场基本沿环形数据道的方向取向，在与盘相对于换能器(transducer)移动的方向相同或相反的方向上。
近来，已经开发了垂直磁记录系统用于计算机硬盘驱动器中。普通的垂直记录头包括拖尾写极(trailing write pole)、磁耦合到写极的前导返回极(leading return pole)或相反极、以及围绕写极的导电磁化线圈。在此类盘驱动器中，所存储信息的位的磁场垂直于磁介质薄膜的平面取向，且因此垂直于环形数据道的方向。
用于垂直记录的介质通常包括硬磁记录层和软磁衬层，软磁衬层提供从写入器的拖尾写极到前导相反极的磁通路径。电流通过线圈从而在写极内产生磁通。磁通从写极尖(write pole tip)经过硬磁记录道进入软磁衬层，并穿过到达相反极，完成磁通回路。
垂直记录设计比传统纵向设计具有支持更高线密度的潜力。双层记录盘上数据位的磁化转变(magnetization transition)通过拖尾极的尾缘(trailingedge)被记录并复制在介质平面上的拖尾极投影的形状，因此极尖的大小和形状在决定可以存储的数据的密度方面非常重要。
垂直磁记录由于能够实现超高密度磁记录而预期将取代纵向磁记录。面密度的增加相应地要求设计制造方法以显著减小P3写极尖的宽度且同时维持道宽控制(track-width control，TWC)并保持尾缘结构限定(trailing edgestructural definition，TED)。如上所述，写入过程复制P3写极在介质平面上的投影的形状，因此P3的大小限制数据区(data field)的大小且因而限制面密度。当前驱动器将制造小于200nm(200×10-9米)的P3极。制造这样微小尺寸的可靠部件对于制造工艺是一个挑战。由于在ABS处的P3极形状优选地不是简单的矩形，而是梯形，具有平行的顶和底边缘，但在侧边缘具有优选地约8到15度的倾斜角度，从而使该问题更具有挑战性。这样做主要是为了使P3极尖适应于弯曲的同心道而不会角部(corner)错误地延伸到相邻道中。
已经努力尝试了各种方法来成形这样的微小部件。离子研磨(IM)是在这样的微部件的制造和成形中已经长期使用的工艺，但这里存在维持顶边缘尺寸同时企图将侧面切成斜角的困难。初始地，氧化铝用作IM硬掩模以用于在330-300nm范围的可靠的倾斜(8-15度)道宽限定(TWD)，但后来改为碳以将IM工艺进一步延伸到更小尺寸。开发IM方案的复杂性在于，由于硬掩模的耐受性不足以钝化TED，因此不能一致地实现TWC工艺并保持TED。对于300-250nm范围的TWD，诸如类金刚石碳(DLC)的碳提供比氧化铝更高的研磨耐受性(milling resistance)从而保持TED。但是在沉积足够的碳膜厚度以提供适当的TED保护方面存在固有困难，因为随着膜厚度增加，应力会导致层离(delamination)或晶片翘曲。因此，将P3碳工艺延伸至低于200nm的道宽尺寸将更成问题。此外，在低于200nm的TWD，极片(pole piece)将是脆的且极尖顶部和侧部上的再沉积材料(研磨永久副产物)的去除将更加困难。
最近，已经发现对于非常窄且长度大于宽度的极尖，可能存在写入过程完成后停止磁通方面的困难。即使在写入电流断开后，磁通会持续地从极尖流出。该剩余磁通可干扰所完成的数据位，导致不能接受的错误。在努力校正此情况时，极尖已经被设计为具有磁和非磁材料的叠层，使得剩余磁通从一个磁叠层被引导回到相邻磁叠层，缩短剩余磁通流动的范围且因此不干扰写入的数据。
尽管该设计在校正剩余磁通问题方面是有效的，但是叠层极结构会引起其它问题。如上所述，P3极通常构造为顶平面宽于下平面的梯形结构。道宽由该上平面的宽度决定，非常精确地控制该尺寸是十分重要的。然而，存在叠层结构制造工艺期间上平面的角被圆化或侵蚀的问题，以及层的层离问题。
如当前发明人的共同待决申请No.10/676728所公开的，当前的制造工序偏好在P3极尖成形时在其上形成牺牲层或硬掩模层以保护顶边缘。P3极尖的顶边缘的尺寸对于确立道宽是至关重要的。由于P3极尖通常通过离子研磨形成，所以牺牲层或硬掩模用来为该关键元件提供额外保护。另外，具有硬掩模层的成形的P3极然后被包封在非磁材料中，该非磁材料提供对P3极的支承且保护它免于被损坏。使用该方法的若干可行方法中的一种方法示于图5-9。
图5-9示出从ABS观察的结构。在图5中，已经沉积了P2磁极成形层44，但是在氧化铝填充层48后面而不可见，因为P2成形层不延伸到ABS，如上所述。P3极尖52层包括诸如CoFe、CoFeN、NiFe、或它们的合金的高磁矩(Bs)材料与诸如Cr、Al2O3、Ru等的非磁层叠极材料的多层。尽管这些是不同材料的交替层，但为了易于图示，在图中它们示出为共同材料，层线穿过该共同材料。如图5所示，耐离子研磨的非磁材料层被形成，例如具有底CMP停止层60和薄导电层62的双层63。CMP停止层60(底层)优选地由Ta2O5、SiOxNy、Cr、NiCr、Rh、Ta或DLC或本领域公知的其它CMP停止材料制成。Rh、Au、Pd或本领域公知的其它导电材料的薄导电层62形成双层63的顶层，并用作用于形成牺牲层或硬掩模层的籽层(seed layer)，如下面将显示和论述的。给定厚度的光致抗蚀剂层64形成在双层63上，腔(cavity)66光刻地产生，其将在下一阶段被填充。
图6中，腔已经被填充以材料从而形成也称为硬掩模68的牺牲层。该牺牲层的材料优选地是NiP，尽管具有高离子研磨耐受性的其它镀材料(plated material)(非磁和磁的，如后面将论述的)也可被使用。光致抗蚀剂层64(见图5)然后被去除，产生图6中见到的结构。硬掩模68层用作离子研磨掩模70从而构图P3层52(下面将论述)。当硬掩模68被修整到目标道宽时，CMP停止层60也被修整。CMP停止层60既用作当使P3极尖52成斜角时的掩模，也用作CMP停止件。硬掩模68的作用是用于构图写极并将其传递到CMP停止层60和极尖材料。用于硬掩模68的材料优选地是非磁的从而其微量(trace)可留在头中而不干扰头的性能。此外，希望镀硬掩模68尽可能光刻合理地厚从而实现更高的钝化和离子研磨耐受性。
在图7中，利用离子研磨来切穿双层63和P3层52。硬掩模68的道宽优选地在双层63和P3极尖52的离子研磨开始之前被减小。通过减小硬掩埋层68的宽度，P3极尖层52和其下面的双层63的宽度在离子研磨期间也被减小。
接着再次使用离子研磨来使P3极尖52的侧面倾斜，如图8所示。硬掩模68在该工艺期间稍微更快地消蚀掉，但离子研磨耐受性优选地比硬掩模68稍微更高的双层63用作第二掩模72，从而P3极尖52的顶边缘76被保护，如图8所示。双层63也用作使极片成斜角的掩模。
随着写极的道宽缩小，写极52的侧壁上的再沉积物和筑墙(fencing)对于去除成为问题，因为极尖52如此之小(200nm)且具有被损坏的更高风险。P3写极52被定义之后，其然后包封在包封层74例如Al2O3或绝缘体材料中，如图9所示(现有技术)。包封材料74向极52提供机械强度并保护其免于腐蚀。因此，利用离子研磨定义P3写极52之后，写极52、双层63、以及残余的硬掩模68利用诸如氧化铝的绝缘体被包封在恰好稍微低于双层63的CMP停止层60或与其在相同高度的水平。接着沉积与CMP停止层60相同的材料构成的材料薄层，其将被称为包封CMP停止层75。
然后使用化学机械抛光(CMP)去除或顶离剩余的硬掩模68。如上所述，包封材料74具有薄包封CMP停止层75，从而使用CMP来去除硬掩模68时，去除速率对硬掩模68材料是选择性的。稍后，当CMP遇到包封CMP停止层75时，速率变慢。
当剩余的硬掩模层68已经被去除时，所得结果是CMP停止层60的平坦化顶表面和围绕完成的P3极尖52的包封CMP停止层75，P3极尖52的宽度优选地大约200nm或更小。通常，类金刚石碳(DLC)层或Cr/Rh双层90形成在P3极52的顶层上。理想地，CMP工艺留下DLC或Cr/Rh 90层之上的包封材料74，并且P3极在包封材料74的水平之下，但剩余包封材料74的水平经常存在变化，使得晶片边缘附件的元件与晶片中心附件的元件具有不同水平。在其中包封材料74低于DLC或Cr/Rh 90层的元件中，P3极会突出在包封材料74之上，并且上边缘76的角会被侵蚀或以其他方式损坏，如图10A和详细地在图10B中所示。
图10A(现有技术)和图10B详细视图(现有技术)示出对P3极尖的这样的损坏的结果，其中可以看出在极的顶边缘76，角78被圆化。极的该顶边缘和传感器的背边缘是最关键的头参数。对极的任何损坏都可破坏该极的可用性且整批头可能都必须放弃。
在保护该极免于被CMP工艺损坏的努力中，已经尝试增加包封层的厚度来使顶极表面低于包封层。然而，CMP粉浆(slurry)强烈地侵袭氧化铝，在实验中，更高的相邻氧化铝仍不能保护极免于CMP损坏。还已经尝试平衡包封层厚度和CMP时间，但CMP工艺的定时难以控制。
因此，需要一种P3极尖结构，其被保护免于CMP侵蚀，并需要一种方法，其保护用于垂直记录的P3极尖免于被CMP工艺侵蚀。

发明内容
本发明一优选实施例是一种磁头，包括具有包封的被保护的极结构的写头，该极结构包括P3极尖。保护层围绕P3极尖的至少一部分，包封材料层围绕部分所述保护层。另外，公开了用于具有包封的被保护的极结构的写头的制造方法。
本发明的一个优点在于P3极尖的角通过该保护层被保护免于侵蚀或损坏。
本发明的再一优点在于由于P3极尖的保护而道宽得到更精确控制。
本发明的又一优点在于P3极尖中的叠层通过该保护层被保护免于损坏或层离。
本发明的另一优点在于产率由于制造过程中较少损坏的P3极尖而增加。
本发明的还一优点在于其防止了P3极尖的侵蚀。
通过参考附图阅读下面的详细说明，本发明的这些和其它特征及优点将无疑问地对于本领域技术人员来说变得更明显。


附图未与实际器件按比例绘制，且提供附图以用于这里描述的本发明的示例，附图中图1示出了示例性盘驱动器的顶平面图；图2示出了示例性滑块和悬臂的透视图；图3示出了示例性读/写头的顶平面图；图4是侧剖视图，示出了垂直头的写头的各种部件；图5-8是制造的各阶段中写头的气垫面的正平面图；图9-10A是制造的各阶段中现有技术写头的气垫面的正平面图；图10B是现有技术P3极尖的详细视图，示出了对角的侵蚀损坏；
图11-13A是制造的各阶段中本发明的写头的气垫面的正平面图；图13B是本发明的P3极尖的详细视图，示出了角维持在锐利条件。
具体实施例方式
为了帮助理解本发明涉及的结构，参照图1-4进行下面的论述。
磁盘驱动器2总地示于图1，其具有带数据道6的一个或更多磁数据存储盘4，数据道6通过数据读/写装置8被读和写。数据读/写装置8包括致动器臂10和悬臂12，悬臂12支承包括在一个或更多滑块16中的一个或更多磁头14。
图2更详细地示出了通过悬臂12被支承的滑块16。磁头14以虚线示出，且更详细地在图3和4中示出。磁头14包括线圈18。
图4(现有技术)是普通现有技术垂直磁头的写头部分的侧剖视图。滑块20具有气垫面(ABS)22，其飞行在硬盘24的表面之上。盘24包括高矫顽力磁层，也称为硬磁层26，其制造在软磁层28上。
垂直头30通常包括读头，这里未示出。写头部分包括第一磁极P1 34，其制造在绝缘层36上。包括线圈40的感应线圈结构38制造在P1极34上。线圈匝40通常形成在电绝缘层42内。第二磁极层，通常称为P2成形层44，制造在感应线圈结构38上。磁背间隙片46连接P1极34和P2成形层44的背部分，使得磁通能在它们之间流动。制造P2成形层44使得间隙48留在它与其余ABS 22之间，并且氧化铝填充物沉积在晶片的整个表面，导致填充P2成形层44前面的间隙48。P3层50，也称为探针层(probe layer)，包括P3极尖52，与P2成形层44磁通连通。P2成形层44为磁通提供通道并将其引导到P3极尖52中。
然后磁头30被包封，例如利用氧化铝层54的沉积。然后，晶片被切割成磁头的行，且头的ABS表面被小心地抛光并研磨，形成分立的磁头。
流经感应线圈结构38的电流将使磁通2流经头的磁极34、52，其中磁通流动的方向取决于通过感应线圈的电流的方向。沿一个方向，电流将导致磁通2流经P2成形层44通过P3层50至窄极尖52进入硬盘24的硬磁层26和软磁层28。磁通2导致磁化数据位记录在高矫顽力层硬磁层26中，其中数据位的磁场垂直于盘24的表面。然后磁通流进软磁衬层28中并当其向P1极34环行回来时发散。磁通2然后流经背间隙片46至P2成形层44，于是完成磁通回路。在这样的垂直写头中，在ABS 22处P1极34远大于P3极尖52是重要的，使得从高矫顽力硬磁层26出来的磁通的密度在返回到P1极层34时被大大减小，且将不会磁影响或翻转硬盘上数据位例如与正被写的道相邻的数据道上的位的磁场。
如上所述，一些当前制造工序偏好当P3极尖被成形时在其上形成牺牲层或硬掩模层从而保护顶边缘。P3极尖顶边缘的尺寸对于建立道宽是重要的。由于P3极尖通常通过离子研磨形成，所以牺牲层或硬掩模用于为该关键元件提供额外保护。另外，具有硬掩模层的成形的P3极然后包封在非磁材料中，该非磁材料提供支承给P3极并保护P3极免于损坏。有几种制造该构造的方法，其产品示于图9。几种可行方法中的一种方法在上面参照图5-9进行了显示和描述。
本发明使用上面参照图5-7示出和论述的阶段以到达图8所示的构造。
如图7所示，利用离子研磨来切穿P3极尖材料52的层和CMP停止层60。硬掩模层68的宽度决定的道宽在CMP停止层60和P3极尖52的离子研磨开始之前被减小。然后再次使用离子研磨来使P3极尖52的侧部倾斜，如图8所示。硬掩模68在该工艺期间侵蚀得稍微更快，但离子研磨耐受性优选地比硬掩模68稍微更高的CMP停止层60用作第二掩模72，使得P3极尖52的顶边缘76被保护，如图8所示。
在图9-10B所示的现有技术中，P3写极52被定义之后，其被封闭在包封材料层74例如Al2O3或其它绝缘材料如Ta2O5、SiOxNy和本领域公知的其它材料中。包封材料74，通常是氧化铝，通常跟随有与CMP停止层中所用的材料相同材料的可选层从而制成第二CMP材料层90。如上所述，当使用化学机械抛光(CMP)辅助的顶离工艺时，遇到了问题。CMP将磨掉较高形貌区域，其通常是光致抗蚀剂与包封材料层74和第二CMP材料层90的堆叠。然而，CMP粉浆设计为强烈地侵蚀氧化铝。理想地，CMP工艺留下第二CMP材料层90之上的包封材料74，且P3极52低于包封材料74的水平，但是残余的包封材料74的水平经常存在变化，使得晶片边缘附件的元件与晶片中心附件的元件具有不同水平。在其中包封材料74低于DLC或Cr/Rh 90层的元件中，P3极会突出在包封材料74之上，并且上边缘76的角会被侵蚀或以其他方式损坏，如图10A和详细地在图10B中所示。
通过在离子研磨或极离子研磨之后但在形成包封材料层之前形成包绕P3极侧壁的非磁保护层，本发明解决了该问题。该保护层将保护该极结构免于CMP工艺期间的化学侵蚀。本发明的该工艺示于图11-13B中。
图1 1示出了层叠的P3极尖52，其已经如前所述被成形在氧化铝填充层48之上。P3极尖52层包括高磁矩(Bs)诸如CoFe、CoFeN、NiFe、CoFe合金、CoFeN合金、NiFe合金与非磁层叠极材料诸如Cr、Al2O3、Ru、NiCr和Rh的多层。
耐离子研磨的非磁材料层例如具有底CMP停止层60和薄导电层62的双层63已经形成在P3极尖52上。CMP停止层60(底层)优选地由Ta2O5、SiOxNy、Cr、NiCr、Rh、Ta或DLC或本领域公知的其它CMP停止材料制成。Rh、Au、Pd或本领域公知的其它导电材料的薄导电层62形成双层63的顶层，并用作用于形成牺牲层或硬掩模层68的籽层。
双层63也用作第二掩模72，并保持在叠层P3极尖52的上边缘76上。硬掩模68形成在双层63之上。硬掩模68优选地是NiFe、NiP和具有高离子研磨耐受性的镀材料。为了易于提及，P3极尖52、双层63和硬掩模68将总地称为掩模化极结构80。该掩模化极结构80已被包封在非磁保护层82中。该保护层82优选地由Rh、Ru、SiO2、Ta、Rh/Ta、DLC、NiCr、或Cr制成。由于P3极尖52层的叠层结构包括潜在腐蚀材料如CoFe，所以非磁保护层82优选地是能够与叠层材料接触并防止其免于腐蚀的材料。因此，保护层82具有两个功能，第一物理保护写极免于CMP期间的损坏，第二化学保护写极免于腐蚀。
图12示出包封材料层74已经形成在掩模化极结构80周围，并包围保护层82。包封材料层74优选地是Al2O3或其它绝缘体材料。将理解，包封材料层74可覆盖整个保护层82，如图所示，或者其可以被掩模化而不形成在保护层82的上部分84上。
然后，硬掩模68、保护层82的上部分84、以及包封材料层74在CMP停止层60之上的部分被去除。硬掩模68通过CMP被破坏并通常通过热NMP、清洗溶液的应用而顶离(lift off)。可选地，CMP材料90的第二层然后形成在P3极52顶上。然后进行CMP的研磨工艺(touch-up process)从而向下平坦化至第二CMP停止层90的水平，并去除筑墙，产生图13A所示的结果。所完成的P3极尖52、可选的CMP材料的第二层90和保护层82将总地称为保护极结构86。保护极结构86也可包括全部或部分第二CMP停止层90。P3极尖52的特写详细视图示于图13B，其中可以看出角78被锐利地定义而没有像现有技术中那样圆化。
所完成的P3极尖52和保护层82与包封材料层74将总地称为包封保护极结构88。
虽然已经关于特定优选实施例显示和描述了本发明，但是应理解，本领域技术人员能够根据本公开进行形式和细节上的改变。因此，权利要求意图覆盖包括在本发明的发明性特征的真正思想和范围内的这样的改变和变型。
权利要求
1.一种磁头，包括具有被保护的极结构的写头，该写头包括P3极尖；以及围绕所述P3极尖的一部分的非磁保护层。
2.如权利要求1的磁头，其中所述非磁保护层的材料选自Rh、Ru、SiO2、Ta、Rh/Ta、DLC、NiCr和Cr构成的组。
3.如权利要求1的磁头，其中所述P3极尖是具有磁和非磁材料的交替层的叠层结构。
4.如权利要求3的磁头，其中所述叠层结构的所述磁材料选自CoFe、CoFeN、NiFe、CoFe合金、CoFeN合金和NiFe合金构成的组。
5.如权利要求3的磁头，其中所述叠层结构的所述非磁材料选自Cr、Al2O3、Ru、NiCr和Rh构成的组。
6.如权利要求1的磁头，还包括形成在所述P3极尖上的CMP停止层材料。
7.如权利要求4的磁头，其中所述CMP停止层是选自Ta2O5、SiOxNy、Cr、NiCr、Rh、Ta和DLC构成的组的材料。
8.如权利要求1的磁头，还包括围绕所述非磁保护层的一部分的包封材料层。
9.如权利要求8的磁头，其中所述包封材料选自氧化铝和绝缘材料构成的组。
10.如权利要求1的磁头，还包括形成在所述P3极尖上的CMP材料的第二层。
11.一种磁头，包括具有包封保护极结构的写头，该写头包括P3极尖；围绕所述P3极尖的至少一部分的保护层；以及围绕所述保护层的一部分的包封材料层。
12.如权利要求11的磁头，其中所述保护层材料选自Rh、Ru、SiO2、Ta、Rh/Ta、DLC、NiCr和Cr构成的组。
13.如权利要求11的磁头，其中所述P3极尖是具有磁和非磁材料的交替层的叠层结构。
14.如权利要求13的磁头，其中所述叠层结构的所述磁材料选自CoFe、CoFeN、NiFe、CoFe合金、CoFeN合金和NiFe合金构成的组。
15.如权利要求13的磁头，其中所述叠层结构的所述非磁材料选自Cr、Al2O3、Ru、NiCr和Rh构成的组。
16.如权利要求11的磁头，还包括形成在所述P3极尖上的CMP停止层材料。
17.如权利要求16的磁头，其中所述CMP停止层是选自Ta2O5、SiOxNy、Cr、NiCr、Rh、Ta和DLC构成的组的材料
18.如权利要求11的磁头，其中所述包封材料选自氧化铝和绝缘材料构成的组。
19.如权利要求11的磁头，还包括形成在所述P3极尖上的CMP材料的第二层。
20.一种盘驱动器，包括至少一个硬盘；至少一个磁头，适于飞行在所述硬盘之上以用于从所述硬盘读数据，所述磁头包括具有被保护极结构的写头，该写头包括P3极尖；以及围绕所述P3极尖的一部分的非磁保护层。
21.如权利要求20的盘驱动器，其中具有被保护极结构的所述写头还包括围绕所述非磁保护层的至少一部分的包封材料层。
22.如权利要求20的盘驱动器，其中所述非磁保护层材料选自Rh、Ru、SiO2、Ta、Rh/Ta、DLC、NiCr和Cr构成的组。
23.一种制造用于垂直记录的具有包封的被保护极结构的写头的方法，包括A)制造P1、线圈和P2层；B)在所述P2层上形成P3层；C)在所述P3层上形成CMP停止层；D)在所述CMP停止层上形成至少一个硬掩模层；E)将部分所述P3层成形为P3极尖；F)将所述P3极尖的一部分围在保护层中；G)围绕所述保护层的至少一部分形成包封材料层；H)去除所述至少一个硬掩模层；以及I)平坦化所述包封材料。
24.如权利要求23的方法，其中F)的所述保护层包括非磁材料。
25.如权利要求24的方法，其中所述非磁保护层材料选自Rh、Ru、SiO2、Ta、Rh/Ta、DLC、NiCr和Cr构成的组。
26.如权利要求23的方法，其中C)的所述CMP停止层材料是选自Ta2O5、SiOxNy、Cr、NiCr、Rh、Ta和DLC构成的组的材料。
27.如权利要求23的方法，其中D)的所述至少一个硬掩模层包括选自NiFe、NiP和具有高离子研磨耐受性的镀材料构成的组的材料。
28.如权利要求23的方法，其中所述P3极尖是具有磁和非磁材料的交替层的叠层结构。
29.如权利要求28的方法，其中所述叠层结构的所述磁材料选自CoFe、CoFeN、NiFe、CoFe合金、CoFeN合金和NiFe合金构成的组。
30.如权利要求28的方法，其中所述叠层结构的所述非磁材料选自Cr、Al2O3、Ru、NiCr和Rh构成的组。
31.如权利要求23的方法，其中E)的所述P3层的成形通过离子研磨进行。
32.如权利要求23的方法，其中所述包封材料选自氧化铝和绝缘材料构成的组。
全文摘要
本发明公开一种磁头，包括具有包封的被保护的极结构的写头，该写头包括P3极尖。保护层围绕所述P3极尖的至少一部分，且包封材料层围绕所述保护层的一部分。本发明还公开了一种用于具有包封的被保护的极结构的写头的制造方法。
文档编号G11B5/255GK101025921SQ20071000624
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月7日 优先权日2006年2月7日
发明者李邝, 李瑞隆, 郑义 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司