专利名称：具有垂直磁场的安培头的制作方法
技术领域：
本发明与磁存储系统所用的记录头有关。更具体地说，本发明与配置来进行垂直垂直记录的安培头有关。
发明的背景磁存储系统是利用磁性存储信息的。在这种系统中，改变磁存储介质中的磁场方向来形成某种模式代表所存储的信息。
在存储介质上用磁性方法记录信息有两种通用的技术。一种技术，称为“纵向”记录，已得到广泛应用。纵向记录中，磁场方向在存储介质的一个平面内按一定方式改变来存储信息。另一种技术称为“垂直”记录。垂直记录中，磁场是以垂直于介质平面的方向施加到存储介质里去的。与平行于介质平面相比，磁场方向垂直于介质平面，信息能以更高的密度存储。
迄今，已作了不断的努力来增加磁记录中的比特密度。比特密度是指能够在给定面积内写入存储介质的磁通反转(即磁场方向改变)数。这种磁通改变的大小与磁头所产生的写磁场的尺寸及聚焦程度有关。有一种传统的磁头，称为电感式磁头，它利用电流通过一个导线圈，造成在两个极尖之间的空隙内产生一个磁场。
现在也在作不断的努力去使用具有高矫顽性的磁存储介质。这种介质需要更强和更聚焦的写磁场去施加磁通反转。对电感式磁头设计来说，很难获得紧密聚焦且具有足够磁场强度的磁场来以不断增加的比特密度垂直地写数据到这种介质上。
本发明就是提供解决这些及其它问题的办法以及比以前的技艺更多的好处。
本发明的概述本发明与数据存储系统及设备，如磁盘驱动数据存储系统，有关，它们都包括利用磁性写入数据到存储介质表面上的磁头。本发明总的来说还与产生磁场的设备有关。
依据本发明的一个实施例，提供了产生磁场的一种磁头，其中第一和第二电接触体电耦合到一个薄膜电线上。电流通过电线在两个电接触体之间流过并产生磁场。用一个聚焦机构将磁场聚焦，从而增加磁场沿薄膜电线记录边的磁通密度。
附图概述
图1是使用本发明的磁头的磁盘存储系统的透视图。
图2A是薄膜电线安培头写入器的透视图。
图2B是图2A所示薄膜电线的磁场对位置的曲线图。
图3A是多层薄膜电线的透视图。
图3B是图3A所示各薄膜电线的磁场对位置的曲线图。
图3C是图3A所示薄膜电线的磁场对位置的曲线图。
图4A是相邻的两条多层薄膜电线的透视图。
图4B是图4A所示两条多层薄膜电线的磁场对位置的曲线图。
图5A和5D是薄膜电线的底透视图，5B是它的顶透视图，薄膜电线按能够提供聚焦磁场的方式电耦合到两个电接触点上。
图5C和5E是图5A和5D所示磁头的磁场对位置的曲线图。
图6A是包括薄膜电线和电感头的磁头的透视图。
图6B是图6A所示磁头的归一化磁场对下行磁道方向上的位置的曲线图。
图7A是图6A所示磁头的磁场对交叉磁道方向上的位置的曲线图。
图7B是图6A所示磁头的归一化磁场对交叉磁道方向上的位置的曲线图。
图8A是一个磁头的底透视图，图8B是它的顶透视图，该磁头包括一条多层薄膜电线及接触点几何结构，它们被配置为将来自磁头的磁场聚焦。
实施例的详述图1是磁盘机100的等距图，本发明的实施例在它里面是非常有用的。磁盘机100有附有底座102的外壳及顶盖(未示出)。磁盘机还包括一个磁盘组106，它用磁盘夹108安装在主轴马达(未示出)上。磁盘组106有多个独立的磁盘(存储介质)，它们被安装为作绕中心轴的共同转动。每个磁盘表面都有一个相关联的磁盘磁头滑块110，它安装到磁盘驱动器100上以便同磁盘表面通信。在图1所示的例中，滑块110是由悬挂片112支持的，而它又是依附到驱动器116的磁道定位臂14上。图1中所示的驱动器属于所谓的旋转动圈式驱动器一类，而且包含一个音圈马达(VCM)，一般表示在118。音圈马达118使驱动器116及附在它上面的磁头绕着枢轴120转动，把磁头沿着一条弓形路径122定位到要求的数据磁道上。弓形路径的范围限在磁盘的内径124及外径126之间。间圈马达118根据由磁头110及主计算机(未示出)产生的信号受伺服电子装置130驱动。磁头组合件110包括一个“滑块”，它装有一个供对磁盘表面作垂直记录的磁头(图1中未示出)。
随着增加硬盘机存储容量所作的努力磁记录里比特密度的继续进展，磁转变(比特)尺寸及随之而来的记录头的临界特征也推进到100nm以下。在平行的努力中，优先使用了磁性较硬(高矫顽性)的介质物材料作为在较高面密度下的稳定记录介质。按传统，通过增加电感写入头的磁性材料的饱和磁性，或4πMs值，已经能写入到较硬的介质上，从而支持了施加到介质的磁场。尽管材料研究中在增加写入头的Ms上取得一定成绩，但是其增长率不足以支持磁盘存储中比特面密度显著增长率的要求。另一种在写入到日渐增硬的介质上进行的类似尝试是在写入过程中局部地降低介质的矫顽性。典型的方法是在写入过程中局部地加热介质(用光或更普遍地用电磁激励)来降低它随温度变化的矫顽性。这种技术迄今只限于实验室演示并需要在磁头设计及磁盘材料上许多技术进展的配合。因此，需要有一种记录头，它能克服某些磁介质的矫顽性以应用到下一代的记录头，此外，这种记录技术还需要是易于生产的。
安培头是一种记录头，它能利用在薄膜电线中的高电流密度局部地产生的磁场记录数据。这种记录头所产生磁场的空间分布对磁头的性能起决定性作用。
图2A是由一条宽度W、厚度t的细长薄膜线200构成的安培头198的透视图。电流I流过线200，它产生磁场202。两个箭头分别显示了相对于该头200的下行磁道方向及交叉磁道方向。图2B是磁场强度H(a.u)对下行磁道方向位置的曲线图并示出了载有电流的薄膜电线200的下向磁道垂直磁场的分布曲线(在磁道/电线中心)的FEM模型数据，该电线的尺寸是100nm宽(下行磁道方向)，100mm长(交叉磁道方向)及5nm厚(垂直于空气轴承表面ABS)，垂直磁场数据是在磁道中心、离电线表面(ABS)20nm距离处测量的。磁场分布曲线的极大梯度在正峰值和负峰值之间(峰值至峰值斜率)，大约在分别确定+W/2和-W/2的两点之间。例如后沿或前沿磁场分布曲线的斜率(图2B中的后沿或前沿斜率)小于同一范围内峰值一峰值斜率之半。
磁场梯度是用来写入记录介质中磁场最陡峭可能转变的。理想的写入磁场分布曲线应该具有在峰值场量级之后跟有陡峭的梯度延伸到一个真正小量级的磁场，即梯度应构成峰值场与真正小量级场之内。然而，如图2B所示，两个量值相等的峰值场构成极大的梯度。由于这两个峰量值相等，不准备用来写入的那个峰会干涉记录在存储介质上的数据并造成要被写入的错误。
图3A是说明本发明一个实施例的安培头240的透视图。安培头240包括有240-1，240-2，240-3，240-4，240-5诸层的多层薄膜电线。这个多层电线结构有变化的线宽及电阻率，从而产生图3B场强对下行磁道位置曲线图中粗线所示的垂直的磁场分布曲线。
图3A中，电流I通过电线240，线层240-1到240-5各自的宽度分别为W1到W5。电流密度可以通过控制各层的电阻率来加以控制使得线层240-1的电流密度比线层240-2的大，而且依次下去，204-2的比204-3的大，204-3的比204-4的大，204-4的又比204-5的大。总而言之，给定线层中的电流密度很易受该层电阻率的控制，这样，使用电阻率较低的材料就得到较大的电流密度，于是多层电线就成了一个分流器，其中每层中的电流受层电阻的支配。图3A所示的设计，在记录边的线宽最窄，而且材料的电阻率最低，反向到后边的相继各层，宽度逐个增大，电阻率也逐个增大。这样就造成在线宽方向有一个电流密度梯度，它在记录边最大，在后沿边最小。例如，表1表出这样一个结构的归一化参量。典型的情况是，各参量的变化范围不会比一个数量级大许多。这种结构很易制造。
表1
虽然也可以采用其它尺寸，在一个具体例子中，线240-1的宽度是50nm，240-2是85nm，240-3是110nm，240-4是150nm，240-5是200nm，长度为50nm，厚度为10nm。这种结构提供的面记录密度大于100Gbit/in2。
图3A中示出的电线240是紧接着记录介质242的。本发明的结构所提供的在记录边246区域内由磁力线244表出的磁通密比起后沿边250附近磁力线248的磁通密度加大了。图3B是图3A的电线240-1至240-5的磁场对位置的曲线图以及由复合多层线240产生的场的曲线图。如图3B所示，电线240的净磁场分布曲线是由组成多层电线的各单线的各场的分布曲线的线性叠加。由每线层产生的垂直磁场分布曲线亦已在图3B中绘出。每个层的场成分在记录边246处建设性地相加，有效地使磁场在边246处聚焦，而后沿边250处的磁场互消地相加至0(至少成一个事实上小的场)。使用这种结构的磁记录已在图3A中示意地绘出，其中磁转变由安培头240在记录边246处产生的场写到介质242上。这个模型中，使用的5层结构的厚度相等、长度也相等，层之间也没有间隔。可是这个发明包括任何适当的结构并且不限于这个具体的实施例。
图3C是图3A的多层安培头240的磁场对位置的更详细的曲线图。图3C示出了在记录边246处的峰值磁场(Hpeak)及在后沿边250处的杂散磁场(Hstray)。较可取的情况是，Hpeak大于介质闭合场而Hstray小于介质成核场。例如Hstray可以小于Hpeak的30％左右。另外，Hpeak和Hstray之间最好有一个大的场梯度。图3C中，后沿边处场的大小小于记录边处峰值场大小的25％，这对于进行磁记录是合适的。根据记录系统的需要，这个值可以定得大些或小些，而且它是受线层数目，线的尺寸，线间间隔及每层电阻率影响很强大的函数。
一般而言，垂直场的分布曲线，包括峰值场的大小，场的梯度及后沿边的场都可以利用可调节的设计参量如电流、线层数目、每层线的大小、线层间的间隔及每层的电阻率来控制。这里所描述的用作模型的结构，绝没有列尽了这个参量空间，只不过想说明一下本发明的操作。这些设计很易用本行业通晓的技术来制造。在一个按晶片级制出的安培头中，可以利用淀积一个多层薄膜来制造多层线，并如上面描述那样用每个薄膜层作一线层。线宽(下行磁道方向)，如这里所规定的，是由膜的厚度支配的，使之直接以原子的精确度来改变单个条线的宽度。线的间隔，如果要求的话，可以按同样的方法，通过独立地改变适当的分隔层的淀积厚度的办法来控制层间的间隔。如上所述，可以用一个分隔层作调节参量来取得所求的场分布曲线。设置一个非零厚度(薄膜生长方向、下行磁道方向)的分隔物质以防止不同线层之间的物质徒动也是合乎需要的。可以用标准晶片级加工技术来限定线长(交叉磁道方向)，而复盖方法可以限定线的厚度(垂直于ABS)。本模型中，整个多层线都用一样的线长和厚度，从加工的观点来看，那是最易实施并能得到合乎记录使用的场分布曲线的设计。线层的电阻率，可以使用本行业通晓的技术，按所需要的电阻，导热率等，通过改变每层的材料或材料的性质来独立地改变。
图4A是包含两个相对的薄膜线272A和272B的磁头270的透视图，两薄膜线贴近磁性存储介质242平置在同一平面上。线278A及278B由间隔276及它们的高电流密度区分隔开，后者在间隔276附近形成记录边278A及278B。这在间隙的中央造成一个高磁通密度区，如图4B所示。图4B是磁头270的磁场对位置的曲线图，其中用一对多层线的下行磁道垂直场分布曲线(曲线281)与一对单层线的(曲线283)作了对比。峰值场的量值出现在一对电线之间沿下行磁道方向的一点上，而且离开这一点场就迅速减弱，其中两个磁场分布图都是对两个结构的原点对称的。本发明将磁场聚焦到原点。在具有五层线对的本例中，峰值场与背景场之比值大约较单层线对的约大一个数量级。
本发明的另一方面，包括使用接触体几何结构来聚焦磁场。图5A和5B中示意地绘出了单层线磁头300的接触体几何结构的例子。图5A是磁头300的底透视图，图5B是它的顶透视图，其中包括薄膜线302与电接触体/散热器304和306电耦合起来。图5A中示出的电流源310在接触体304和306之间耦合起来，它提供通过线302的电流I。接触体304和306可以由任何适当的材料，如铜构成。在一个具体的实施例中，接触体的高度H为300nm，宽度W为500nm，长度L为750nm。面对磁存储介质242配置了磁头300的空气轴承表面(ABS)，如图5B中所示。图5B中，接触体306以虚幻的方式示出，是为了能看到全部结构。
图5A和5B中所示的接触体几何结构将接触体304及306所加的磁场沿电线302的记录边322聚焦起来。电流I循着通过导体304及306及薄膜电线302的通路把磁通量320沿着电线302的记录边聚焦起来。图5C是场场对位置的曲线图，曲线331是接触体独自的，曲线333是薄膜线独自的，曲线335是接触体与薄膜线合成的。如图5C所示，电线所产生的垂直磁场对中心对称。然而，电接触体却有不对称的场，当它与线产生的场组合，提供了一个合乎需要的外对称的场强分布。当电线没有置于电接触体的端点处时也能得到这个效果，但是没有那么显著。
图5D和5E与图5A及5C相似，示出了一个实施例，其中电线302被间隔置于离开接触体304及306的端点。这种结构也产生非对称的净场分布曲线。这种非对称性将场聚焦到电线的一边，该边可以被指定为“记录”边。
图6A是一个集成磁头340的透视图，它包括一个安培头342和一个电感头344，组合起来去增强合成磁场。一般来说，可以把一块铁磁性物质放在紧靠安培头342的地方以增强磁场。安培头342包含单层薄膜线346，它耦合到电接触体348及350上。电感头344包含一个磁芯356，它有358及360两个极以及延伸通过它的电线圈362。空隙361被限在极358及360之间，一个磁场就在它们之间发出。从342及344两个头产生的磁场，建设性地相加，用来在介质242中进行垂直记录。当然，也可以用多层线。
图6B是磁场对位置的曲线图，图6C是归一化磁场对位置的曲线图，其中分别是图6A中的电感头340(曲线351)，安培头的(曲线353)及它们的叠加(曲线355)。图6B把在磁道中心的垂直磁场表示为下行磁道位置的函数，那是在离结合有一软下垫层(SUL)的头340的空气轴承表面(ABS)10nm处测量的。单层电线346的尺寸是50nm宽(下行磁道方向)，50nm长(交叉磁道方向)和4nm厚，在4×1010A/CM2的电流密度条件下流过80mA的电流。单极电感写入器还具有50nm的交叉尺寸，极材料的饱和磁化强度为4πM＝2.0T，模型中的极接近饱和。每个图中的三条迹线对应于来自线结构(接触体及电线，安培头)的场(曲线353)，来自单极写入器的场(曲线351)及它们的线性叠加(曲线355)。
结合有本发明的接触体几何结构的集成头340的分布曲线，比起电感头的分布曲线有许多合乎需要的特征，例如场强的幅度增加了，后沿梯度增加了，在更短的转变到零值的后沿边背景磁场，以及峰值场位置与最大梯度在空间上较一致。图7A是磁场对交叉磁道位置的曲线图，图7B是归一化磁场对交叉磁道位置的曲线图，它们是单极电感头写入器的(曲线361)，安培头写入器的(曲线363)，及它们的叠加的(曲线365)。交叉磁道磁场的分布曲线是在对应于电线及单极电感写入器之间的界面上下行磁道方向上的位置测量的。归一化的数据表明安培头342的交叉磁道分布曲线的确比电感写入器344的尖锐。这说明本发明在聚焦磁场上的效果。磁场强度在离开电线的方向迅速减小。
图8A是磁头400的底透视图，图8B是它的顶透视图。它使用了图5A和5B中所示的接触体几何结构及图3A中所示的多层线配置这以提供两种机构来把磁场沿记录边402聚焦。图8A和8B中的元件与图3A、5A及5B中所示的元件相似且保留了原来的数目。图5B中的接触体306是以虚幻方式式示出的，为的是能看到完整的结构。多层电线240具有电流密度梯度，于是最大的电流密度出现在最窄的那层处，并且电流密度在离开这个层的方向上减小，而在第n层，即最宽那一层处最小。因此，记录边402是多层电线240及接触体几何结构同时对场聚焦的地方。这个发明也可以按其它结构方式或结合其它头几何结构来使用。
本发明在横过电线宽度的方向上提供了一个电流密度梯度，使得电线所产生的总的垂直磁场聚焦到一边，而另一边的磁场明显地消失了。这里提供的是一种不复杂的，实用的设备设计，它使用一个宽度W的多层薄膜电线(W由多层线的总厚度设定)，电线的每层被分开配置，利用材料及几何结构调节通过给定层的电流，这样就可以得到所要求的电流密度梯度。同时还提供了一种接触体几何结构，它进一步增强聚焦效果，因此，电线也得到接触，将电流沿下向磁道方向加到电线的前引边(聚焦边)上。这个发明提供了许多合乎需要的特性。这种垂直磁场分布适合于利用一种设计不复杂的设计来进行磁记录，这些设计很易制造，并且用普通的，不复杂的材料及加工技术就能制造出来。本发明提供的场梯度及场的量值，比起载有可比较的电流的单层电线，总的宽度要小得多。这还提供了较好的电流载流能力。此外，这种结构很易与电感写入头设计集成，而其净磁场具有对磁记录非常有利的性质。
从各方面看，本发明包括一个磁头400用来产生进行垂直记录的磁场。第一和第二电接触体304和306耦合到电流源310，它提供通过头400的薄膜电线240的电流I。一个磁场聚焦机构把磁通量聚焦，并沿头400的记录边402增加垂直磁记录场的磁通密度。磁场聚焦机构的例子包括电线240采用多层结构以及相对于电线240的接触体304及304的几何结构。从各方面看，薄膜电线不用绕成线圈并/或产生直接施加到存储介质上的磁场，不需要单独的磁芯或用来接受磁场并沿极尖聚焦磁场的极结构。薄膜的典型厚度大约是100nm数量级或更小些。
应该明白，尽管前面的描述中已阐明了本发明的各个实施例的多种特性及优点以及本发明各个实施例的详细结构及功能，但是这里揭示的仅仅是实例，细节方面还可以作许多改动，尤其是有关结构及部件安排方面，只要不超出本发明的原理以及由术语按所附权利要求书中所表述的广泛、通用的涵义的范围。例如，特定的元件可以根据磁头的具体应用加以改变，只要实质上维持相同的功能，就没有离开本发明的范围和精神。此外，虽然这里所描述的较好的实施例是用于磁盘存储系统的，但是通晓本行业技能的人也会领会本发明的涵义，把它应用到磁场存储系统或要求有垂直磁场分布的地方，而不脱离本发明的范围和精神。从各方面看，薄膜的宽度小于100nm并且包括Cu，Ag，Au，碳纳米管或其它物质。
权利要求
1.一种产生磁场的磁设备，包括一个第一电接触体，配置来耦合到电流源具有经调制的电流输出；一个第二电接触体配置来耦合到电流源一条薄膜电线耦合到第一电接头和第二电接头之间用来在它们之间传送调制电流并相应地沿薄膜记录边产生一个磁场；以及一个磁场聚焦机构配置来增加沿薄膜电线的记录边的磁场的磁通密度。
2.如权利要求1所述的设备，其中的磁场聚焦机构造成电流具有电流密度在薄膜的宽度上变化并提供一个电流密度增大区从而在贴近电流密度增大区增大磁通量的密度。
3.如权利要求2所述的设备，其中磁场聚焦机构包括由多个薄膜层组成的薄膜电线，它延展到垂直于薄膜层宽度的方向用以提供电流密度增大区域。
4.如权利要求3所述的设备，多个薄膜层中至少两个配置成配置磁场，它在记录边上相长相加，在后沿边上相消相加。
5.如权利要求3所述的设备包括相邻薄膜层之间有一间隔。
6.如权利要求3所述的设备，其中多个薄膜层中至少两个有不同的电阻。
7.如权利要求3所述的设备，其中多个薄膜层中至少两个有不同的电阻率。
8.如权利要求3所述的设备，其中多个薄膜层中至少两个有不同的电流密度。
9.如权利要求3所述的设备，其中多个薄膜层中至少两个有不同的宽度。
10.如权利要求1所述的设备，其中第一和第二接触体有端点耦合到电流源并且薄膜电线在离开端点的位置耦合到接触体上，由此增大沿薄膜线记录边方向上的垂直记录场的磁通密度并由此形成该磁场聚焦机构。
11.如权利要求1所述的设备，包括一个相对的薄膜电线，它有一记录边，通过一个间隔与薄膜线分开。
12.如权利要求1所述的设备，包括一种铁磁性材料紧靠着薄膜电线，借以增强磁场。
13.如权利要求1所述的设备，包括一个空气轴承表面，所述的薄膜电线贴近空气轴承表面。
14.一个使用垂直记录来存储信息的磁盘存储系统，它包括权利要求1的磁头。
15.一种产生磁场的方法，包括放置一个薄膜电线贴近记录介质；在第一和第二电接触体之间施加一个电流并通过该薄膜电线，由此在贴近薄膜电线处产生一个磁记录场；并且沿薄膜电线的记录边把磁记录场聚焦。
16.如权利要求15所述的方法，其中将磁记录场聚焦的方法包括在薄膜电线中提供一个电流密度，它在薄膜电线的宽度上变化。
17.如权利要求16所述的方法，其中的薄膜电线包括多个薄膜层，它在垂直于薄膜宽度的方向上延伸，借以提供增大的电流密度区域。
18.如权利要求17所述的方法，其中多条薄膜电线中至少两条经配置造成磁场在记录边处相长地相加，在后沿边相消地相加。
19.如权利要求17所述的方法，包括相邻薄膜层之间有一间隔。
20.如权利要求17所述之方法，其中多个薄膜层中至少两个有不同电阻。
21.如权利要求17所述之方法，其中多个薄膜层中至少两个有不同的电阻率。
22.如权利要求17所述之方法，其中多个薄膜层中至少两个有不同的电流密度。
23.如权利要求17所述之方法，其中多个薄膜层中至少两个有不同宽度。
24.如权利要求15所述的方法，其中聚焦磁场的方法包括安排第一和第二电接触体的端点在薄膜电线上，所处的位置使之能沿薄膜电线记录边的方向上增大磁记录场的磁通密度。
25.如权利要求15所述的方法，包括一相对的薄膜电线，它在离开薄膜电线一个间隔处有一记录边。
26.如权利要求15所述的方法，包括在邻近薄膜电线处提供一铁磁性物质以增强磁场。
27.一个磁盘存储系统，它根据权利要求15所述的方法产生在磁盘上作记录用的垂直记录磁场。
28.一个磁头用于产生记录用的磁场，包括一条薄膜电线，在第一和第二电接触体之间耦合，配置为沿薄膜电线的记录边产生一记录磁场；以及将磁场沿薄膜的记录边聚焦的装置。
全文摘要
本发明提供一种用来产生磁场的磁头(198)，其中第一和第二接触点(304，306)电耦合到一薄膜电线(302)上。电流经过电线(302)在两接触点之间通过，由之产生磁场。用一个聚焦机构把磁场聚焦，从而加大了磁场沿薄膜电线(302)记录边的磁通密度。
文档编号G11B5/127GK1639811SQ03804529
公开日2005年7月13日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年2月27日
发明者T·W·克林顿, J·D·哈奈, M·A·西格勒 申请人:西加特技术有限责任公司