專(zhuān)利名稱(chēng)：旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，制造方法及其磁記錄系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明相關(guān)于一個(gè)以旋轉(zhuǎn)閥效應(yīng)為基礎(chǔ)來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)的磁阻(MR)傳感器，制造這種傳感器的方法和含有這種傳感器的磁記錄系統(tǒng)。
磁阻傳感器根據(jù)由磁性材料制成的讀出元件的磁阻變化對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，磁阻是被讀出元件檢測(cè)的磁通量的強(qiáng)度和方向的函數(shù)。常規(guī)的磁阻傳感器是根據(jù)讀出元件的磁阻分量隨讀出元件的磁化強(qiáng)度和通過(guò)該讀出元件檢測(cè)電流的方向夾角余弦的平方而變化的各向異性的磁阻效應(yīng)(AMR)進(jìn)行工作的。記錄的數(shù)據(jù)可以從一個(gè)磁載體中讀出，因?yàn)閬?lái)自于被記錄的磁載體(信號(hào)場(chǎng))的外部磁場(chǎng)引起讀出元件磁場(chǎng)方向的變化，磁場(chǎng)方向的變化又引起讀出元件的阻抗和相應(yīng)的被檢測(cè)的電流和電壓的變化。
一種不相同并且更明顯的被稱(chēng)為巨磁阻(GMR)的磁阻在各種磁多層結(jié)構(gòu)中被觀察到，其主要特征是具有至少被非鐵磁金屬層分開(kāi)的兩個(gè)鐵磁金屬層。這種巨磁阻效應(yīng)已在多種系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，例如鐵/鉻或鈷/銅多層系統(tǒng)，象在磁場(chǎng)沿著兩個(gè)鐵磁層中被固定或鎖住的一層方向的基本非耦合層狀結(jié)構(gòu)中的情況一樣，顯示了很強(qiáng)的對(duì)鐵磁層的反鐵磁性耦合特性。在所有結(jié)構(gòu)中，物理變化的原因都是相同的外部磁場(chǎng)的作用引起了相臨鐵磁層磁化的相對(duì)方向變化，這又引起與自旋相關(guān)的傳導(dǎo)電子的擴(kuò)散變化，從而導(dǎo)致這一結(jié)構(gòu)電子阻抗的變化。因此，這個(gè)結(jié)構(gòu)的阻抗隨著這個(gè)鐵磁層磁化相對(duì)方向的變化而變化。
巨磁阻的一個(gè)特別有用的用途是三明治結(jié)構(gòu)，包括由一個(gè)非磁性鐵墊圈層隔開(kāi)的兩個(gè)基本非耦合鐵磁層，鐵磁層中一層的磁化方向被固定。這種固定可以通過(guò)把這個(gè)鐵磁層固定么一個(gè)反鐵磁性的鐵—錳層上，以使這兩個(gè)相臨層相互耦合實(shí)現(xiàn)。沒(méi)有固定或“自由”的鐵磁層也可能將其延展部位(即位于中央活躍感應(yīng)區(qū)的任意一邊上的自由層部份)予以固定，但其方向與被固定層的磁化方向垂直，這樣只有自由層中央活躍區(qū)的磁化強(qiáng)度隨外部場(chǎng)的變化而自由變化。自由層延伸的磁化強(qiáng)度也可以通過(guò)相互耦合到一個(gè)反鐵磁層而固定。但是，用在這里的反鐵磁性材料必須與用在固定層的鐵—錳反鐵磁性材料不同，產(chǎn)生的這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥(SV)磁阻傳感器，其中只有自由鐵磁層隨著外部磁場(chǎng)的變化而任意變化。授予IBM的美國(guó)專(zhuān)利5159513公開(kāi)了一個(gè)傳感器，其中鐵磁層至少有一層含有鈷或一種鈷合金，并且通過(guò)使固定的鐵磁層和一個(gè)反鐵磁層相互耦合使外部作用磁場(chǎng)為零而使這兩個(gè)鐵磁層的磁化方向大體保持互相垂直。同樣是授予IBM的美國(guó)專(zhuān)利5206590公開(kāi)了一個(gè)基本旋轉(zhuǎn)閥傳感器，其自由層是一個(gè)具有中央活躍區(qū)和終止區(qū)的連續(xù)薄膜，自由層的終止區(qū)通過(guò)相互耦合到一種反鐵磁性材料而相互施加偏壓，固定層通過(guò)相互耦合到一個(gè)不同類(lèi)型的反鐵磁性材料而被固定。在590專(zhuān)利中描述的旋轉(zhuǎn)閥傳感器存在難以生產(chǎn)制造的缺點(diǎn)。如果使用相減生產(chǎn)技術(shù)，很難對(duì)傳感器的頂層和到自由層進(jìn)行精確的分解而又不危及或使自由層變薄。自由層也可是幾層的組合，包括厚度只有幾埃的薄層，因此自由層狀結(jié)構(gòu)的頂層在分解時(shí)可能是危險(xiǎn)的。如果使用相加生產(chǎn)技術(shù)，不可能在一種真空過(guò)程中疊放全部的旋轉(zhuǎn)閥層以使自由層和隔離層界面的完整性得到妥善解決。
1993年7月13日提交的相關(guān)申請(qǐng)08/090714描述了一個(gè)巨磁阻傳感器，在那里由于終止區(qū)被反鐵磁層縱向施加了偏壓，磁阻元件有與中央傳感區(qū)相連的不連續(xù)的終止區(qū)。
需要一個(gè)具有端部區(qū)域被改進(jìn)的自由鐵磁層的旋轉(zhuǎn)傳感器來(lái)與反鐵磁層相耦合。
本發(fā)明是一個(gè)改進(jìn)的SV傳感器、制造該傳感器的方法、以及包含該傳感器的磁記錄系統(tǒng)。SV傳感器中的自由鐵磁層只在傳感器的中央活躍感應(yīng)區(qū)域存在，它有一個(gè)與端部區(qū)域相臨的明確邊界。端部區(qū)域由一個(gè)鐵磁層和一個(gè)反鐵磁層形成，位于端部區(qū)域的鐵磁層與傳感器中央活躍區(qū)域的自由層絕然不同。這些鐵磁層并不需要具有相同的組成、厚度或磁矩。最好是由鎳—錳合金制成的反鐵磁材料層在端部區(qū)域的鐵磁材料上形成，并與其相接觸，用于與端部區(qū)域相互耦合以給他們提供磁化的縱向偏壓。SV傳感器中的固定鐵磁層通過(guò)與反鐵磁材料的不同層相互藉合來(lái)定位，這個(gè)反鐵磁材料最好是鐵—錳合金，該鐵磁材料與位于端部區(qū)域的反鐵磁材料具有完全不同的內(nèi)爾(Neel)溫度。
在制造傳感器的過(guò)程中，對(duì)構(gòu)成中央傳感區(qū)域的層進(jìn)行圖形腐蝕來(lái)限定具有確定磁道寬度的中央傳感區(qū)域。接著將另外的鐵磁材料以某種方式放在自由層中央?yún)^(qū)域的側(cè)面的襯底上，以靠近自由層中央?yún)^(qū)域的邊界。鎳—錳自由層放在端部區(qū)域的鐵磁材料上。傳感器隨后在旋加磁場(chǎng)的情況下在鍛燒爐中加熱到使鎳—錳磁化可被固定，并且與鐵磁端部區(qū)域的磁化不同。冷卻后，傳感器在爐中旋轉(zhuǎn)90度，并加熱到鎳—錳的內(nèi)爾溫度以上，以使鎳—錳的磁化固定，從而使其與固定的鐵磁層的磁化不同。
為了使讀者對(duì)本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)有更好的理解，下面我們將結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)的描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明與SV傳感器一起使用的磁記錄磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化框圖。
圖2是去掉蓋子后的圖1的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的俯視圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的SV傳感器的部件分解透視圖，示出了端部區(qū)域相互耦合到反鐵磁層的連續(xù)自由層。
圖4是從磁盤(pán)所看到的圖3的現(xiàn)有技術(shù)SV傳感器的示意圖，它也示出了頂層和電導(dǎo)線。
圖5是從磁盤(pán)看到的本發(fā)明的SV傳感器的示意圖。
圖6A—6D示出了制造圖5的SV傳感器的步驟。
雖然本發(fā)明的SV傳感器是與磁記錄磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器一起來(lái)描述的，如圖1所示，但本發(fā)明也可以用于其他磁記錄系統(tǒng)，如磁帶記錄系統(tǒng)，也適用于磁阻元件起位元作用的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)系統(tǒng)。
圖1示出了采用MR傳感器的那一類(lèi)的現(xiàn)有技術(shù)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的剖面示意簡(jiǎn)圖，該磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器含有一個(gè)底座10，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器電機(jī)12、傳動(dòng)裝置14和蓋11固定在底座上。底座10和該蓋11為該磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器提供了一個(gè)完整的密封箱。特別是在底座10和蓋11之間裝有一個(gè)密封圈和一個(gè)小通氣孔(未示出)用來(lái)平衡改磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部和外部環(huán)境的壓力。磁記錄磁盤(pán)16通過(guò)固定在盒18上與驅(qū)動(dòng)電機(jī)12相連，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)12的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。一層薄潤(rùn)滑薄膜50保持在磁盤(pán)16的表面。讀/寫(xiě)頭或轉(zhuǎn)換器25被安裝在托架，例如一個(gè)空氣支撐滑塊的從動(dòng)端，轉(zhuǎn)換器25可以是一個(gè)感應(yīng)讀和寫(xiě)轉(zhuǎn)換器或一個(gè)將要描述的具有SV讀元件那種類(lèi)型的感應(yīng)寫(xiě)元件?；瑝K20通過(guò)堅(jiān)固的臂22和懸架24與傳動(dòng)裝置相連，懸架24提供一個(gè)偏力推動(dòng)在記錄磁盤(pán)16上的滑塊20。在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器工作期間，驅(qū)動(dòng)電機(jī)12以固定速度帶動(dòng)磁盤(pán)16旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)裝置14，特有的線性或旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)(VCM)，總是使滑塊20沿徑向在磁盤(pán)16的表面移動(dòng)，使讀/寫(xiě)頭可以對(duì)磁盤(pán)16的不同磁道進(jìn)行讀寫(xiě)。
圖2是去掉蓋11的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部俯視圖，更為詳細(xì)地示出了懸架24提供一個(gè)力到滑塊20以推動(dòng)磁盤(pán)16，懸架可以是常規(guī)的如IBM美國(guó)專(zhuān)利4167765中描述的眾所周知的Watrous懸架，這種類(lèi)型的懸架也為滑塊提供了萬(wàn)向架裝置，使滑塊座落在空氣支撐面上時(shí)傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)換器25從磁盤(pán)16上檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)安裝在臂22上的集成電路芯片15中的信號(hào)放大器和運(yùn)算電路處理為一個(gè)數(shù)據(jù)讀回信號(hào)，來(lái)自轉(zhuǎn)換器25的這個(gè)信號(hào)通過(guò)電纜17傳到芯片15，再通過(guò)電纜19把信號(hào)送出。
上面借助圖1和圖2對(duì)一個(gè)典型的磁記錄磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的描述僅僅是為了說(shuō)明的目的。很明顯，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器可以包含大量的磁盤(pán)和轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器可以支撐許多滑塊。此外，除空氣支撐滑塊，讀/寫(xiě)頭的托架可以是一個(gè)使頭與磁盤(pán)相接觸或靠近的托架，例如以液體支撐或其他接觸記錄磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。
現(xiàn)有技術(shù)的SV傳感器30示在圖3中。形成完整傳感器的薄膜覆在適當(dāng)?shù)囊r底31上，SV傳感器30可以構(gòu)成圖1和圖2磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器25的部分，襯底31可以是頭托架或滑塊20的從動(dòng)端。
底層或緩沖層33裝在襯底31上，接著是軟鐵磁材料的第一薄層，接著是一個(gè)薄的反鐵磁性金屬隔離層37，接著是第二鐵磁材料薄層，再就是具有較高電阻并直接與鐵磁層39接觸的相互偏磁材料的薄層41，它裝在鐵磁層35的上面，然后，對(duì)37、39、41層的端部進(jìn)行浸蝕處理，其預(yù)定的寬度總是與磁介質(zhì)，例如磁盤(pán)16，的數(shù)據(jù)磁道的寬度相對(duì)應(yīng)，然后，反鐵磁層42、43直接裝在鐵磁層35的中央活動(dòng)傳感區(qū)36兩側(cè)的延伸部位52、53上。用于防腐的頂層和分布在42、43層的電導(dǎo)線在圖3中沒(méi)有示出。
當(dāng)不存在來(lái)自記錄磁盤(pán)16的外部磁場(chǎng)作用時(shí)，兩層鐵磁材料35、39的磁化被相互定位在一個(gè)角度上，最好是90度，分別如箭頭32和38所示。鐵磁層35被稱(chēng)為“自由”鐵磁層，因?yàn)樵谄渲胁繀^(qū)域36的磁化能響應(yīng)外部作用的磁場(chǎng)(如圖3所示的磁場(chǎng)h)來(lái)旋轉(zhuǎn)其方向，如層35上的虛線箭頭所示。鐵磁層39被稱(chēng)為“固定”鐵磁層，因?yàn)槠浯呕较虮还潭ㄔ谝粋€(gè)最佳位置，如箭頭38所示。層41通過(guò)交互耦合來(lái)提供一個(gè)偏置磁場(chǎng)，由此將鐵磁層39的磁化固定在最佳方向(箭頭38)，這樣在存在強(qiáng)度在磁盤(pán)16的信號(hào)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的外部磁場(chǎng)作用時(shí)，它不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)其方向。與此類(lèi)似，層42、43通過(guò)交互藉合到自由鐵磁層35的延伸部位52、53來(lái)提供縱向偏壓。這保證了在不存在外部磁場(chǎng)作用時(shí)自由鐵磁層35的中央敏感區(qū)的磁化一般被保持與固定鐵磁層39的磁化垂直。
圖4示出了從磁盤(pán)16的表面看去所看到的圖3的結(jié)構(gòu)，圖中示出了覆蓋層44和與傳感器30電性相連的被組成圖案的電線柱45、46。圖4也將自由層35示為一種連續(xù)薄膜，它具有中央活躍感應(yīng)區(qū)36，如虛線之間的部分所示，和位于中央?yún)^(qū)域36兩側(cè)的端部區(qū)域或延伸部位52、53。位于區(qū)域36的任意一邊的自由層35的延伸部位52、53分別被反鐵磁交換層42和43縱向偏置。采用反鐵磁交互耦合層41和42、43是分別將鐵磁層39和自由層35的延伸部位的磁化定位的最佳方法。交互偏置層41和42、43通常由適當(dāng)?shù)姆磋F磁材料制成，如鐵—錳或鎳—錳合金。但是用于層41的反鐵磁材料必須與用于層42、43的不同，這是因?yàn)閷?1的磁化必須與層42、43的磁化垂直。在加工過(guò)程中，反鐵磁材料受到一個(gè)磁場(chǎng)作用，并同時(shí)被加熱到一個(gè)特定的極限溫度來(lái)定位它的磁化。必須選擇不同的反鐵磁材料，以便當(dāng)一種材料被加熱到它的溫度來(lái)定位其磁場(chǎng)時(shí)，這一溫度將位于另一材料的極限溫度之下，它的磁化不會(huì)受到影響。
采用持續(xù)薄膜自由鐵磁層，其中中央敏感區(qū)域和延伸區(qū)域或端部區(qū)是該持續(xù)薄膜的一部分，在制造SV傳感器時(shí)有一些缺點(diǎn)，主要問(wèn)題是還原浸蝕隔離層37、固定鐵磁層39和交互偏置區(qū)41的端部區(qū)域，而又不腐蝕或人為減小自由鐵磁層端部區(qū)域52、53的厚度的能力。大多數(shù)浸蝕技術(shù)，如離子研磨或?yàn)R蝕，具有10％的均勻去除特性。必須被去除的三層中，一般來(lái)說(shuō)隔離層的厚度為25埃，固定鐵磁層的厚度為60埃，交互層的厚度為150埃，或總厚度為大約250埃。由于10％的材料去除的不確定性，通常厚度為50埃的自由層能夠在厚度上被減少50％，變?yōu)?5埃。這會(huì)消除端部區(qū)域52、53的縱向偏置，因?yàn)榘诙瞬繀^(qū)域的凈磁矩應(yīng)該與傳感器的中央活躍區(qū)域36的凈磁矩相差不大，以產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置狀況。另外可以利用迭加技術(shù)解決現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)閥的制造，這種情況下，在放好自由鐵磁層后，光敏抗腐劑可以通過(guò)傳感器中央活躍區(qū)域的孔涂在自由層上，然后隔離層、固定鐵磁層和交互層可以放在光敏抗腐劑和自由層的其他區(qū)域上，然后通過(guò)使光敏抗腐劑溶解把材料從自由層上卸下，這種迭加技術(shù)需要兩次分離沉積來(lái)形成傳感器的中央活躍區(qū)域，特別是在自由鐵磁層和隔離層之間的界面要采取兩次分離沉積步驟，與單一真空環(huán)境下形成的更為理想的界面相比，這個(gè)界面的質(zhì)量下降了。差的界面導(dǎo)致傳感器的較低阻抗變化，在端部區(qū)域和傳感器活躍區(qū)域連續(xù)自由層的應(yīng)用使對(duì)這些區(qū)域不能使用單獨(dú)的和不同的鐵磁材料。某些情況下，利用不同的鎳—鐵結(jié)構(gòu)使交互范圍最大，在端部區(qū)域比在中央?yún)^(qū)域更有優(yōu)勢(shì)。某些情況下，鐵磁材料具有不同的厚度(或不同的凈磁矩)，端部區(qū)域比中央?yún)^(qū)域也可能具有優(yōu)勢(shì)。
上述描述的實(shí)施例是對(duì)用在磁記錄系統(tǒng)中的SV傳感器而言的，例如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，然而，本發(fā)明的SV元件也適用于在磁隨機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用。在這個(gè)實(shí)施例中，SV元件起一個(gè)位元的作用，自由層和固定層的磁化將沿逆平行而不是垂直方向排列。
根據(jù)本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的最佳實(shí)施例示于圖5，象圖4現(xiàn)有技術(shù)傳感器一樣，圖5所示的SV傳感器60是從磁媒體，如磁盤(pán)16看上去的樣子。在襯底61上形成一層作為緩沖層62的鉭(Ta)，接著在緩沖層上形成一層鎳—鐵自由鐵磁層，再接著是銅間隔層。自由層中的鎳—鐵的成分在Ni80Fe20至Ni85Fe15范圍之間。在間隔層65上形成一層鐵—錳反鐵磁層70，接著是鐵—錳反鐵磁層66，以與鐵—錳固定層70交互耦合。在鐵—錳層66上形成一個(gè)覆蓋層67。在沒(méi)有外部磁場(chǎng)作用時(shí)，自由層的磁化被定位在箭頭64的方向。固定層70通過(guò)它與反鐵磁層66的交互耦合將其磁化定位在箭頭71(進(jìn)入圖5的紙內(nèi))的方向。層62、63、65、70、66和67有一個(gè)由邊緣93、94限定的寬度，該寬度被選擇為磁媒體需要的磁道寬度。由于這一寬度在微米(10,000埃)范圍，而層的厚度在10—100埃范圍，為了清楚地示出傳感器薄膜，圖5沒(méi)有按比例示出。
在自由層的兩側(cè)形成一個(gè)鎳—鐵層90，并且緊靠邊緣94，鎳—鐵層91在層90上構(gòu)成并相接觸，并與層90交互耦合，以使端部區(qū)域的鎳—鐵的磁化被大致保持在與箭頭64平行的方向。因此，自由層63和層90的側(cè)端或伸展部位構(gòu)成了SV傳感器的第一鐵磁層。當(dāng)存在來(lái)自磁媒體的磁場(chǎng)作用時(shí)，層63的磁化能自由地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)層90的端部區(qū)域大致保持固定。在層91上構(gòu)成一層傳導(dǎo)材料，作為SV傳感器60的電接頭。雖然在圖5的實(shí)施例中自由層63比固定層70更靠近襯底61，但也可以采用相反的方式來(lái)構(gòu)成SV傳感器，即固定層更靠近襯底，在這種結(jié)構(gòu)中，用于定位固定層70凳鐵磁層66放在襯底61和固定層70之間。鎳—錳下個(gè)月91和鎳—鐵層端部區(qū)域90也可以互換，使反鐵磁層91先放，鐵磁層90后放。
圖5也示意性地示出了連接SV傳感器和磁記錄系統(tǒng)中的傳感電路的裝置。電接頭92用于提供SV傳感器60與電源82和傳感裝置84之間的電通路。當(dāng)自由鐵磁層63的磁化響應(yīng)從磁記錄媒體施加的磁信號(hào)而旋轉(zhuǎn)時(shí)，該磁信號(hào)被檢測(cè)電阻變化的傳感裝置所感應(yīng)。
制造SV傳感器60的步驟將結(jié)合附圖6A—6D來(lái)進(jìn)行描述。如圖6A所示，在一次單一抽氣過(guò)程中，將若干層第一次濺蝕放置在襯底61上。襯底61可以是玻璃、半導(dǎo)體材料或陶瓷材料，如用于傳統(tǒng)滑塊的三氧化二鋁/碳化鈦陶瓷材料。在襯底61上次序形成的薄膜包括一個(gè)50埃的鉭底層或緩沖層62，一個(gè)60埃的強(qiáng)鐵磁性鐵—鎳合金自由鐵磁層63，一個(gè)25埃的銅間隔層65，一個(gè)80埃的強(qiáng)鐵磁性鐵—鎳合金固定鐵磁層70，一個(gè)用于定位固定層70的150埃的鐵—錳交互偏置層，以及一個(gè)100埃的鈦覆蓋層67。
接著，如圖6B所示，將光阻74布置在這些層上形成一個(gè)矩形區(qū)域，對(duì)些層進(jìn)行離子研磨，對(duì)將光阻移走。
接著，如圖6C所示，將光阻76布置在這些層上，其寬度相應(yīng)于SV傳感器需要的磁道寬度。光阻層75具有雙層特性，并帶有一個(gè)切槽，該切槽使端部區(qū)域金屬層可以次序卸下，并使端部區(qū)域金屬可以稍微超覆覆蓋層67。
如圖6D所示，這些層中沒(méi)有被光阻75保護(hù)的其余部分被離子研磨侵蝕或移走。由于離子研磨的均勻性通常為10％，離子研磨的時(shí)間被選擇為大于移走這些層所需總時(shí)間的10％。離子研磨侵蝕的終止點(diǎn)在襯底上，因此端部區(qū)域的所有材料都被移走。從圖6D可以看出，為了移走端部區(qū)域中的所有材料，離子研磨要稍微深入到襯底61中。接著，如圖6E所示，放置一層鐵磁材料90，該材料通常為鎳—鐵合金，但不必與SV傳感器的中央活躍區(qū)域中的鎳—鐵合金具有同樣的成分，隨后放置300埃的鎳—錳合金作為交互偏置層91，再放置一系列層作為電接頭層92。層92最好由一系列噴濺放置的鈦、金和鈦層構(gòu)成。層90、91、92也覆蓋電阻層75。鐵磁自由層63是帶有被隔開(kāi)以形成SV傳感器60的磁道寬度的邊緣93、94的中央活躍感應(yīng)區(qū)，層90被鍍成一定的厚度，以使層90的凈磁矩比自由層63的凈磁矩大10—30％左右，因此，如果層90和層63是以同樣的材料構(gòu)成，那么層90的厚度應(yīng)比層63厚約10—30％。反鐵磁層91隨后順序碼放到層90上，最好是在同樣的抽真空程序下進(jìn)行。
電阻層75隨后被熔化，移動(dòng)覆蓋層并留下圖6F所示的傳感器結(jié)構(gòu)。
層90也可以由不同于自由層63的鐵磁材料構(gòu)成，在一些應(yīng)用中，自由層鎳—鐵結(jié)構(gòu)對(duì)磁致伸縮來(lái)說(shuō)是最佳的，但該結(jié)構(gòu)不必對(duì)鎳—錳交互結(jié)構(gòu)最佳。在某些應(yīng)用中，活躍區(qū)域中的自由層可以不是鎳—鐵，而是鎳—鐵/鈷層狀結(jié)構(gòu)，在這種情況下，鐵磁層90也不必是鎳—鐵/鈷層狀結(jié)構(gòu)，而是可以采用鎳—鐵層。端部區(qū)域穩(wěn)定的條件是端部區(qū)域鐵磁層的凈磁矩大于中央活躍區(qū)域的自由鐵磁層的凈磁矩或等于其10—30％。
縱向偏置SV傳感器緊湊作法的優(yōu)勢(shì)，在于實(shí)施和材料上的靈活性。緊湊作法可以將傳感器端部區(qū)域的所有層移去，并使鐵磁層和交互層在一個(gè)次序真空周期內(nèi)放置好。緊湊做法對(duì)鐵磁層的厚度和材料進(jìn)行修整，從而使鐵磁/反鐵磁層的交互強(qiáng)度最佳。
圖6G是圖6F沿G—G方向的俯視圖，它示出了在襯底61上完整構(gòu)成SV傳感器60的方式，光阻層70(圖6B)確定了傳感器60的邊緣100和101，光阻層75(圖6E)確定了傳感器60的邊緣93和94，尾部或端部區(qū)域的頂層是層92，即接線材料層，傳感器區(qū)域的頂層是層67，即覆蓋曾層，在移走電阻層75后，傳感器60通過(guò)在襯底上噴鍍大約0.5微米的鋁來(lái)密封。
鋁密封傳感器60隨后被放在一個(gè)煅燒爐中，在有外部磁場(chǎng)的情況下被加熱到大約240度，傳感器在爐中的定位使得作用磁場(chǎng)位于箭頭64(圖5)所指的方向。鎳—錳層91在室溫下沒(méi)有反鐵磁性，但在加熱時(shí)變?yōu)榉磋F磁，它的磁化按鎳鐵層90的磁化方向調(diào)準(zhǔn)，而后者是按作用磁場(chǎng)來(lái)調(diào)準(zhǔn)的。這一方向大致與自由層63的中央?yún)^(qū)域的磁化方向64平行。冷卻后，鎳—鐵層91的磁化被永久性確定，并且在端部區(qū)域?yàn)閷?0提供反鐵磁交互耦合，從而這些端部區(qū)域被永久性地磁化在箭頭64所指的方向。
冷卻后，傳感器在同一煅燒爐中被旋轉(zhuǎn)90度。與鎳—錳不同的是，鐵—錳層66溶敷時(shí)是反鐵磁性的。然而，它的磁化必須重新調(diào)整，以便它能與固定層70耦合在合適的方向。將爐中的溫度提高到大約180度，這一溫度大于鐵—錳的內(nèi)爾溫度，在該溫度下，鐵—錳不再是反鐵磁的，并且沒(méi)有磁化歷史，從而當(dāng)隨后冷卻時(shí)，它的磁化在適當(dāng)?shù)姆较蛟鲩L(zhǎng)。由于作用的磁場(chǎng)被平行于固定層70的磁化方向定位，鐵—錳層66的磁化也按該方向調(diào)準(zhǔn)。來(lái)自煅燒爐的作用磁場(chǎng)將固定層70準(zhǔn)備在合適的方向71(圖5)，當(dāng)隨后冷卻到鐵—錳的內(nèi)爾溫度之下時(shí)，鐵—錳的磁化按固定層70的磁化方向調(diào)準(zhǔn)，結(jié)果鐵—錳層66構(gòu)成了反鐵磁交互耦合層，以固定固定層70的磁化方向。因此，在存在感應(yīng)磁場(chǎng)作用時(shí)，固定層70的磁化不會(huì)旋轉(zhuǎn)。由于鎳—錳的內(nèi)爾溫度大約為450度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵—錳的160度內(nèi)爾溫度，鎳—錳層91的磁化方向?qū)⒉粫?huì)受到影響，并保持與鎳—鐵層90和63的磁化方向平行。
雖然本發(fā)明是結(jié)合最佳實(shí)施例來(lái)進(jìn)行描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)理解到，在不脫離本發(fā)明精神的前提下，可以進(jìn)行許多形式和細(xì)節(jié)上的變化，因此，所以開(kāi)的發(fā)明以權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，包括被非磁性金屬材料隔離層分隔開(kāi)的第一和第二鐵磁材料層，所述第二層的磁化方向被固定，在磁場(chǎng)作用為零時(shí)，所述第一層的磁化方向被定位在相對(duì)于所述第二層的磁化方向的一個(gè)角度上，第一層包括一個(gè)中央活躍區(qū)域以及鄰近和緊靠著中央活躍區(qū)域的邊緣的端部區(qū)域。壓在第一鐵磁層的端部區(qū)域上面的一個(gè)反鐵磁材料層，用于對(duì)端部磁化產(chǎn)生偏置。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，其特征在于進(jìn)一步包括第二層反鐵磁材料，它與第二鐵磁層相接觸，用于固定第二層鐵磁材料的磁化，第二層反鐵磁材料由一種與壓在第一鐵磁層的端部區(qū)域上方的反鐵磁材料具有完全不同的內(nèi)爾(Neel)溫度的材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，其特征在于壓在第一鐵磁層端部區(qū)域上方的反鐵磁材料層由包含鎳和錳的一種合金構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，其特征在于與第二鐵磁層相接觸的反鐵磁材料層由包含鐵和錳的一種合金構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，其特征在于壓在第一鐵磁層端部區(qū)域上方的反鐵磁材料層鄰近和緊靠著第一鐵磁層中央活躍區(qū)域的邊緣。
6.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件，其特征在于第一鐵磁層的中央活躍區(qū)域中的鐵磁材料與鄰近和緊靠第一鐵磁層的端部區(qū)域的鐵磁材料不同。
7.一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，包括一個(gè)襯底；在該襯層上形成的層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)包括具有一個(gè)中央活躍區(qū)域的一個(gè)自由鐵磁層，該區(qū)域在沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)有磁化取向，一個(gè)非磁性金屬隔離層，該隔離層與自由磁化層的中央活躍區(qū)域相鄰并相接觸，一個(gè)固定鐵磁層，它與隔離層相鄰并相接觸，并具有與自由鐵磁層的中央活躍區(qū)的磁化成一個(gè)角度定位的磁化，一個(gè)反鐵磁材料層，它具有預(yù)定的內(nèi)爾溫度，并且與固定鐵磁層相鄰和相接觸構(gòu)成，以固定該固定鐵磁層的磁化；一個(gè)鐵磁材料層，它構(gòu)成了自由鐵磁層的中央活躍區(qū)域的端部區(qū)域，該端部區(qū)域鄰近和緊靠自由鐵磁層的中央活躍區(qū)域的邊緣；一個(gè)反鐵磁材料層，它與端部區(qū)域鄰近和相接觸，并與鄰近固定鐵磁層的反鐵磁材料具有完全不同的內(nèi)爾溫度，用于對(duì)端部區(qū)域的磁化交到產(chǎn)生偏壓。
8.如權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，其特征在于鄰近端部區(qū)域的反鐵磁材料層是由包括鎳和錳的一種合金構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，其特征在于鄰近固定鐵磁層的反鐵磁材料是由包括鐵和錳的一種合金構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，其特征在于鄰近端部區(qū)域的反鐵磁材料層是鄰近和緊靠自由鐵磁層的中央活躍區(qū)的邊緣的。
11.如權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，其特征在于位于自由鐵磁層的中央活躍區(qū)中的鐵磁材料與鄰近和緊靠端部區(qū)域的鐵磁材料是不相同的。
12.一個(gè)磁存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括具有若干磁道的磁存儲(chǔ)媒體，用于記錄數(shù)據(jù)；一個(gè)磁換能器，在該磁換能器與磁存儲(chǔ)媒體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持該磁換能器緊靠磁存儲(chǔ)媒體，磁換能器包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，后者包括(a)襯底；(b)位于襯底上的第一自由層，它有一個(gè)中央活躍區(qū)域，該區(qū)域在沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)有磁化取向；(c)一個(gè)非磁性金屬隔離層，該隔離層與第二自由磁化層的中央活躍區(qū)域相鄰并相接觸；(d)第二鐵磁層，它與隔離層相鄰和相接觸，并將其磁化固定在與第一自由層的中央活躍區(qū)的磁化成一個(gè)角度的一個(gè)方向；(e)在襯底上構(gòu)成的第二鐵磁層，它作為第一自由鐵磁層的中央活躍區(qū)域的端部區(qū)域，該端部區(qū)域鄰近和緊靠第一自由鐵磁層的中央活躍區(qū)的邊緣；(f)一個(gè)反鐵磁材料層，它與第三鐵磁層鄰近并相接觸，用于對(duì)端部區(qū)域的磁化產(chǎn)生交互偏置；耦合到磁阻傳感器的裝置，用于確定在響應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)磁阻傳感器中的電阻變化，該磁場(chǎng)代表了記錄在磁記錄媒體中的數(shù)據(jù)位，它被磁阻傳感器所截取。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于相鄰于第二鐵磁層的反鐵磁材料是由包含鎳和錳的一種合金構(gòu)成。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于相鄰于第三鐵磁層端部區(qū)域的反鐵磁材料鄰近和緊靠第一自由鐵磁層的中央活躍區(qū)的邊緣。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于第一自由鐵磁層中央活躍區(qū)的鐵磁材料與第三鐵磁層中的鐵磁材料不同。
16.一個(gè)磁記錄盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，包括一個(gè)磁記錄盤(pán)；與磁盤(pán)相連，用于旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)的一個(gè)電機(jī)；用于磁感應(yīng)記錄在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器，該傳感器包括(a)具有一個(gè)中央活躍區(qū)域的一個(gè)自由鐵磁層，該區(qū)域在沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)有磁化取向；(b)一個(gè)與自由磁化層的中央活躍區(qū)域相鄰并相接觸的非磁性金屬隔離層；(c)一個(gè)固定鐵磁層，它與隔離層相鄰并相接觸，并具有與自由鐵磁層的中央活躍區(qū)的磁化成一個(gè)角度定位的磁化；(d)一個(gè)反鐵磁材料層，它具有預(yù)定的內(nèi)爾溫度，并且與固定鐵磁層相鄰和相接觸構(gòu)成，以定位該固定鐵磁層的磁化；(e)構(gòu)成自由鐵磁層的中央活躍區(qū)域的端部區(qū)域的一個(gè)鐵磁材料層，該端部區(qū)域鄰近和緊靠自由鐵磁層的中央活躍區(qū)域的邊緣；(f)一個(gè)與端部區(qū)域鄰近和相接觸的反鐵磁材料層，它與鄰近固定鐵磁層的反鐵磁材料具有完全不同的內(nèi)爾溫度，用于對(duì)端部區(qū)域的磁化交互產(chǎn)生偏壓；用于支撐旋轉(zhuǎn)閥磁阻傳感器的托架，它有一個(gè)基底，傳感器置于該基底之上；一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于沿徑向?qū)⑼屑芤平?jīng)磁盤(pán)，這樣傳感器可以在磁盤(pán)上對(duì)以磁化方式記錄了數(shù)據(jù)的不同區(qū)域進(jìn)行存??；將托架連接列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于保持托架靠近磁托的裝置；與傳感器電耦合的一個(gè)裝置，用于確定傳感器中的電阻響應(yīng)由傳感器從磁盤(pán)中感應(yīng)的磁場(chǎng)所發(fā)生的變化；用于支承電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于鄰近端部區(qū)域的反鐵磁材料是由包含鎳和錳的一種合金構(gòu)成的。
18.如權(quán)利要求17所述的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于鄰近固定鐵磁層的反鐵磁材料層是由包含鐵和錳的一種合金構(gòu)成的。
19.如權(quán)利要求16所述的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于鄰近端部區(qū)域的反鐵磁材料層接觸并緊靠著自由鐵磁層中央活躍區(qū)域的邊緣。
20.如權(quán)利要求16所述的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，其特征在于自由鐵磁層中央活躍區(qū)域中的鐵磁材料不同于接觸并緊靠著端部區(qū)域的鐵磁材料層。
21.一種制造旋轉(zhuǎn)閥磁阻元件的方法，包含以下步驟提供一個(gè)襯底；將第一鐵磁層放在該襯底上；將一非磁性金屬隔離層直接放在該第一鐵磁層上，并相互接觸；將第二鐵磁層直接放在該隔離層上，并相接觸；對(duì)一反鐵磁層直接放在該第二鐵磁層上，并相接觸，該反鐵磁層材料具有第一預(yù)定內(nèi)爾溫度；在所述預(yù)先放置的層的中央?yún)^(qū)域設(shè)置一遮蓋物；對(duì)所述預(yù)先放置的層從遮蓋物外部區(qū)域一直侵蝕到襯底；將第三鐵磁層放在襯底上，該第三鐵磁層限定了相鄰并緊靠第一鐵磁層的中央?yún)^(qū)域的邊緣的端部區(qū)域；將一層材料直接放在第三鐵磁層上并相接觸，該材料在加熱時(shí)呈現(xiàn)反鐵磁性，并且具有第二預(yù)定內(nèi)爾溫度；將遮蓋物移走；在第一外部磁場(chǎng)施加于第一方向的情況下，將襯底和預(yù)先放置的層加熱到第一溫度，以對(duì)在第三鐵磁層上形成的層進(jìn)行反鐵磁化；將襯底和預(yù)先放置的層冷卻到所述第一溫度之下，以永久地使得第三鐵磁層和在其上形成的反鐵磁層的磁化與所述第一作用磁場(chǎng)匹配；在第二外部磁場(chǎng)施加于第二方向的情況下，將襯底和預(yù)先放置的層加熱到介于所述第一和第二內(nèi)爾溫度之間的一個(gè)第二溫度；將襯底和預(yù)先放置的層冷卻到所述第一內(nèi)爾溫度之下，以永久地使得所述第二鐵磁層和在其上形成的反鐵磁層的磁化與所述第二作用磁場(chǎng)匹配。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在第三鐵磁層上放上一層呈現(xiàn)反鐵磁性的材料層的步驟包括放上一層由鎳和錳構(gòu)成的合金。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在第二鐵磁層上放上一層具有第一預(yù)定內(nèi)爾溫度的反鐵磁材料層包括放上一層由鐵和錳構(gòu)成的合金。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于在第三鐵磁層上放上一層呈現(xiàn)反鐵磁性的材料的步驟包括將所述層接觸并緊靠第一鐵磁層中央?yún)^(qū)域的邊緣。
全文摘要
本發(fā)明為一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)閥(SV)磁阻元件，它有一鐵磁層，該鐵磁層有一帶有明確邊緣的中央活躍區(qū)域和端部區(qū)域。在鐵磁材料的端部區(qū)域形成一層最好是鎳-錳(Ni-Mn)合金的反鐵磁材料，并且相接觸，以便與端部區(qū)域交互耦合，從而為其磁化提供縱向偏置。SV元件中的固定鐵磁層是通過(guò)與一層最好是鐵-錳(Fe-Mn)合金的反鐵磁材料交互耦合來(lái)固定的，該材料與端部區(qū)域上的反鐵磁材料具有完全不同的內(nèi)爾溫度。
文檔編號(hào)G01R33/09GK1124866SQ9510505
公開(kāi)日1996年6月19日 申請(qǐng)日期1995年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月26日
發(fā)明者羅伯特·E·方塔納, 林珊, 宋欽華 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司