JP3961496B2 - Cpp型巨大磁気抵抗効果ヘッド - Google Patents
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Description
抗効果ヘッドに関する。
、素子を構成する各層の膜面に対して平行な方向にセンス電流が流れるCIP(Current
In the Plane)型と、素子を構成する各層の膜面に対して垂直な方向にセンス電流が流れ
るCPP(Current Perpendicular to the Plane)型とに大別することができる。
面図である。CPP−GMRヘッド100は、図示X方向に長く延びて形成された下部シ
ールド層110、下部シールド層110の図示X方向の中央部上に形成された下部非磁性
金属膜120、この下部非磁性金属膜120上に積層形成されたフリー磁性層131、非
磁性金属材料層132、固定磁性層133、反強磁性層134及び上部非磁性金属膜14
0、この上部非磁性金属膜140の上に図示X方向に長く延びて形成された上部シールド
層150、フリー磁性層131の一部及び非磁性材料層132の両側部に接して形成され
たハードバイアス層163、及びハードバイアス層163と下部シールド層110及び上
部シールド層150との間を埋める絶縁膜161、164を有している。なお、ハードバ
イアス層163と絶縁層161の間にはバイアス下地層162が備えられている。
0が電極膜を兼ねており、下部シールド層110及び上部シールド層150にも電流が流
れる。この下部シールド層110及び上部シールド層150は、周知のように、例えばN
iFeのような軟磁性材料によって形成されている。よって、下部シールド層110及び
上部シールド層150にセンス電流が流れると、AMR(異方性磁気抵抗)効果が生じ、
下部シールド層110及び上部シールド層150の抵抗値が増減する。この抵抗変化は、
ヘッドの出力に対してノイズとなってしまう。
なっている。例えば図示例では、センス電流の出入口となる範囲(下部シールド層110
と下部非磁性金属膜120が接触している範囲、及び上部シールド層150と上部非磁性
金属膜140が接触している範囲)で電流密度が高くなっている。
いて下部シールド層110及び上部シールド層150を形成することが考えられるが、A
MR効果の小さいシールド材料では、十分な磁気シールド効果が得られない。
134にもセンス電流が流れる。反強磁性層134は、比抵抗が約200μΩ・cm程度
であり、非磁性金属膜120、140やフリー磁性層131、固定磁性層133に比して
非常に大きい。また反強磁性層134は、反強磁性特性を保持するために厚く形成する必
要があり、例えば上下のシールド層間隔が600Å程度であるとき、反強磁性層134の
膜厚は200Å程度とされる。このように比抵抗の大きい反強磁性層134が厚く設けら
れていると、反強磁性層134の抵抗が大きく、センス電流が流れることによって反強磁
性層134が発熱する。この発熱(ジュール熱)により、ヘッド全体の温度が高くなるた
め、ヘッドの信頼性や高周波特性を悪化させている。また反強磁性層134が厚いと、上
下のシールド間隔を狭くすることが難しく、高記録密度化に不利になっている。
シールド層には全く流れないため、上述のような問題は生じていない。
定させることができるとともに、狭再生シールド間隔化も実現でき、さらに、シールド層
のAMR効果によるノイズとジュール熱を低減可能なCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドを
得ることを目的とする。
びフリー磁性層の一方と他方に直接接触し、該固定磁性層及びフリー磁性層よりも大面積
で形成された大面積非磁性金属膜を備えることが好ましい。この大面積非磁性金属膜が存
在することにより、下部シールド層及び上部シールド層におけるセンス電流の集中が緩和
され、下部シールド層及び上部シールド層のAMR効果によるノイズを低減することがで
きる。
a/Cu、Ta/Ru/Cu、Ta/Cr、Ta/Ni−Cr、Ta/(Ni−Fe)−
Cr又はCrのいずれかにより形成され、さらに組成中にCrを含む場合はCr含有量が
20原子%を超えていることが好ましい。この組成で形成された大面積非磁性金属膜は、
巨大磁気抵抗効果素子を規則的に形成するためのシード層として機能する。この大面積非
磁性金属膜上に積層形成される固定磁性層の磁化は、該大面積非磁性金属膜のシード効果
によっても安定する。
方向は記録媒体からの漏れ磁界方向、Z方向は記録媒体の移動方向及び巨大磁気抵抗効果
素子を構成する各層の積層方向である。
れた下部シールド層10と上部シールド層50の間に、下部大面積非磁性金属膜20、巨
大磁気抵抗効果を発揮するGMR素子30及び上部大面積非磁性金属膜40を有している
。
し、図1及び図2に示すように、GMR素子30よりも十分に広い面積で形成されている
。この下部シールド層10及び上部シールド層50は、十分な磁気シールド効果が得られ
る軟磁性材料、例えばNiFeにより、約1μm程度の膜厚で形成されている。
あり、電極として及びGMR素子30を規則的に形成するためのシード層としても機能す
る。上部大面積非磁性金属膜40は、上部シールド層50の直下に位置するギャップ層で
あり、上部シールド層50と共に電極としても機能する。
面(フリー磁性層33)と下面(第1固定磁性層31a)に直接接しており、図1及び図
2に示すようにGMR素子30よりも十分広く、下部シールド層10及び上部シールド層
50とほぼ同じ面積を有している。
−GLの(1/4)以上となる膜厚で形成される。例えば、シールド間隔R−GLが48
0〜800Åであるとき、大面積非磁性金属膜20、40の膜厚t20、t40は60〜
300Åであることが好ましい。この範囲内であれば、大面積非磁性金属膜20、40の
比抵抗を、シールド層10、50の構成材料であるNiFeの1/5〜1/10程度まで
低減することができる。すなわち、大面積非磁性金属膜20、40の膜厚が60〜300
Åであるときのシート抵抗は、NiFe膜が300〜3000Åの膜厚で形成されている
場合のシート抵抗に相当する。よって、センス電流は大面積非磁性金属膜20、40を流
れやすく、大面積非磁性金属膜20、40とシールド層10、50との境界面でセンス電
流の集中を緩和することができる。これにより、下部シールド層10及び上部シールド層
50のAMR効果による抵抗変化は小さく抑えられる。なお、下部大面積非磁性金属膜2
0の膜厚t20と上部大面積非磁性金属膜40の膜厚t40は、同一であっても異なって
いてもよい。
ルド層10、50及び大面積非磁性金属膜20、40のほぼ中央部に位置し、上下面が大
面積非磁性金属膜20、40によって挟まれている。このGMR素子30は、大面積非磁
性金属膜20、40がシールド間隔R−GLの(1/4)以上の膜厚で形成されているた
め、シールド間隔R−GLの(3/4)以下となる膜厚で形成されている。GMR素子3
0は、下部大面積非磁性金属膜20側から順に固定磁性層31、非磁性材料層32及びフ
リー磁性層33を有しているが、固定磁性層31の磁化方向を固定するための反強磁性層
は備えていない。図1及び図2に示す記録媒体との対向面(ABS面)には、下部大面積
非磁性金属膜20、固定磁性層31、非磁性材料層32、フリー磁性層33及び上部大面
積非磁性金属膜40が露出している。なお、GMR素子30は、図示例とは上下を逆にし
て、下からフリー磁性層、非磁性材料層及び固定磁性層の順番で積層形成されていてもよ
い。
、図1に示すように記録媒体との対向面側の端面(ABS面)が開放されている。このた
め、固定磁性層31に対して二次元的且つ等方的に加わっていた応力の対称性が崩れ、固
定磁性層31には、ハイト方向に平行な方向に一軸性の引張り応力が加えられる。この逆
磁歪効果によっても、第1固定磁性層31a及び第2固定磁性層31cの磁化方向はハイ
ト方向に平行な一軸方向で安定化されている。
位置させて、下から順に第1絶縁層61、バイアス下地層62、上述のハードバイアス層
63、第2絶縁層64が積層形成されている。
成され、ハードバイアス層63(及びハードバイアス下地層62)と大面積非磁性金属膜
20、40の間を埋めている。すなわち、第1絶縁層61は、フリー磁性層33の両側部
の一部に接する膜厚で、下部大面積非磁性金属膜20の上に形成されている。第2絶縁層
64は、固定磁性層31の両側部に接する膜厚で、ハードバイアス層63の上に形成され
ている。
させ、ハードバイアス層63から発生するバイアス磁界を増大させるために設けられてい
る。バイアス下地層62は、体心立方構造(bcc構造)の金属膜で形成されることが好
ましく、具体的にはCr、W、Mo、V、Mn、Nb、Taのいずれか1種または2種以
上の元素で形成されることが好ましい。このバイアス下地層62は、ハードバイアス層6
3の下側のみに形成されていることが好ましいが、フリー磁性層33の両側部とハードバ
イアス層63との間に若干介在していてもよい。フリー磁性層33の両側部とハードバイ
アス層63の間に形成されるバイアス下地層62のトラック幅方向における膜厚は、1n
m以下であることが好ましい。バイアス下地層62が介在していれば、ハードバイアス層
63とフリー磁性層33とを磁気的に連続体にすることができ、フリー磁性層33の端部
が反磁界の影響を受けるバックリング現象を防止することができ、フリー磁性層33の磁
区制御が容易になる。
面に対して垂直方向(膜厚方向)に流れたとき、GMR素子30の巨大磁気抵抗効果を利
用して記録媒体からの漏れ磁界を検出することができる。図4に示す矢印は、上部シール
ド層50側から下部シールド層10側に向かってセンス電流を流した場合に生じる電流経
路を示している。
上部シールド層50よりも比抵抗の小さい上部大面積非磁性金属膜40に流れ込む。上部
大面積非磁性金属膜40に流れ込んだセンス電流は、上部大面積非磁性金属膜40がGM
R素子30よりも広い範囲に存在しているため、該上部大面積非磁性金属膜40内を膜面
に対して平行に流れ、上部大面積非磁性金属膜40と固定磁性層31の界面から該GMR
素子30の膜面に直交する方向(膜厚方向)に流れた後、フリー磁性層33と下部大面積
非磁性金属膜20の界面から下部大面積非磁性金属膜20に入る。下部大面積非磁性金属
膜20内に入ったセンス電流は、下部大面積非磁性金属膜20の比抵抗が下部シールド層
50よりも小さく且つ下部大面積非磁性金属膜20がGMR素子30よりも広い範囲に存
在しているため、その大部分が比抵抗のより小さい下部大面積非磁性金属膜20内を膜面
に対して平行に流れ、GMR素子30の下層に位置する範囲の下部シールド層10にはほ
とんど流れない。
層位置に、センス電流が集中することがない。すなわち、大面積非磁性金属膜20、40
とシールド層10、50の界面における電流密度は小さくなり、シールド層10、50の
AMR効果が生じても、該AMR効果によるノイズ(シールド層10、50の抵抗変化)
を小さく抑えられる。なお、下部シールド層10から上部シールド層50に向かってセン
ス電流を流す場合には、センス電流の流れる方向は逆向きであるが、同様の電流経路がで
きる。
面側から見て示す部分断面図、(b)はCPP−GMRヘッド1の製造工程を素子部中央
でハイト方向に平行に切断して示す部分断面図である。各層の形成材料及び膜厚は、完成
状態のCPP−GMRヘッド1と同一であるため、説明を省略する。
31a、非磁性中間層31b、第2固定磁性層31c、非磁性材料層32及びフリー磁性
層33を真空中でベタ膜上に連続成膜する。成膜にはスパッタ法を用いる。このとき、第
2固定磁性層31cは、完成状態の第2固定磁性層31cの素子部と同じ膜厚で均一に成
膜しておく。
ック幅寸法Tw、高さ寸法h1)と同程度、あるいは該素子面積よりも若干小さい面積を
覆うリフトオフ用のレジスト層R1を形成する。
第1固定磁性層31aまでの各層(フリー磁性層33、非磁性材料層32、第2固定磁性
層31c、非磁性中間層31b及び第1固定磁性層31a)を例えばイオンミリング等に
より除去し、下部大面積非磁性金属膜20が露出したらイオンミリングを終了する。この
工程により、図5に示すように、下部大面積非磁性金属膜20のトラック幅方向のほぼ中
央部上に、第1固定磁性層31aからフリー磁性層33までの各層で構成されるGMR素
子30が略台形状となって残される。なお、GMR素子30の両側端面にはイオンミリン
グで除去された物質の一部が再付着するので、この再付着物を再度ミリングで除去するこ
とが好ましい。
1絶縁層61、バイアス下地層62、ハードバイアス層63及び第2絶縁層64を連続成
膜する。成膜にはスパッタ法を用いる。なお、スパッタ成膜時におけるスパッタ粒子角度
は、下部大面積非磁性金属膜20に対してほぼ垂直方向とすることが好ましい。スパッタ
成膜後は、レジスト層R1を除去する。レジスト層R1除去後の状態を図6に示す。
GMR素子30の高さ寸法h1を規定するレジスト層R2を形成する。
磁性材料層32及び第2固定磁性層31cの一部を例えばイオンミリングにより除去し、
この除去部分に第1バックフィルギャップ層71を成膜する。このイオンミリング工程に
より、フリー磁性層33及び非磁性材料層32はGMR素子30となる素子部のみに残さ
れ、第2固定磁性層31cの一部、非磁性中間層31b及び第1固定磁性層31aは、フ
リー磁性層33及び非磁性材料層32よりもハイト方向奥側に長く延びた状態で残される
。このフリー磁性層33、非磁性材料層32及び第2固定磁性層31cの一部は、ハイト
方向奥側の端面位置が滑らかに連続している。第2固定磁性層31cは、素子部よりも素
子部外(ハイト方向奥側に長く延びた部分)で膜厚が薄くなっている。
する。
ィルギャップ層71の上に、第2固定磁性層31c、非磁性中間層31b及び第1固定磁
性層31aの高さ寸法h2を規定するレジスト層R3を形成する。この高さ寸法h2は、
GMR素子30のトラック幅寸法Tw及び高さ寸法h1よりも大きく設定されている。レ
ジスト層R3は、上記レジスト層R2よりもハイト方向の寸法が大きくなっている。
2バックフィルギャップ層72の上に上部大面積非磁性金属膜40をスパッタ成膜し、上
部大面積非磁性金属膜40の上面にCMP加工又はイオンミリングを施す。このCMP加
工又はイオンミリングにより、上部大面積非磁性金属膜40の上面が平坦化される。この
平坦性は、上部シールド層50上に記録用のインダクティブヘッドを積層して形成する際
にも保障される。CMP加工後の上部大面積非磁性金属膜40の膜厚t40が、完成状態
のCPP−GMRヘッド1と同じになる。
ッタ成膜する。上部シールド層50は、上部大面積非磁性金属膜40を成膜する際に、該
上部大面積非磁性金属膜40と連続でスパッタ成膜してもよい。
うち1種または2種以上の元素である)とMnとを含有する反強磁性材料で形成されるこ
とが好ましい。あるいは、元素Zと元素Z'(ただし元素Z'は、Ne、Ar、Kr、Xe
、Be、B、C、N、Mg、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu
、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Hf、Ta、W、Re、A
u、Pb、及び希土類元素のうち1種又は2種以上の元素である)とMnとを含有する反
強磁性材料により形成されることが好ましい。これら反強磁性材料は、耐食性に優れてい
てブロッキング温度も高く、反強磁性層34と第2固定磁性層31cの界面で大きな交換
結合磁界を発生させることができる。反強磁性層34は、80Å以上で300Å以下の膜
厚で形成されることが好ましく、本実施形態では約150Åの膜厚で形成されている。
ないように、Al2O3やSiO2などの絶縁材料により形成された第1バックフィルギャ
ップ層(絶縁層)71が形成されている。第1バックフィルギャップ層71、反強磁性層
34、第2固定磁性層31c、非磁性中間層31b、第1固定磁性層31a及び下部大面
積非磁性金属膜20は、図10に示すようにハイト方向奥側の端面位置が一致している。
これら第1バックフィルギャップ層71、反強磁性層34、第2固定磁性層31c、非磁
性中間層31b、第1固定磁性層31a及び下部大面積非磁性金属膜20のハイト方向奥
側では、Al2O3やSiO2などの絶縁材料により形成された第2バックフィルギャップ
層(絶縁層)72によって、下部シールド層10と上部シールド層50の間が埋められて
いる。
製造方法の一実施形態について説明する。
体との対向面側から見て示す部分断面図、(b)はCPP−GMRヘッド201の製造工
程を素子部中央でハイト方向に平行に切断して示す部分断面図である。各層の形成材料及
び膜厚は、完成状態のCPP−GMRヘッド201と同一である。
理を行なう。このとき、アニール温度は例えば270℃程度であり、印加磁界の大きさは
800kA/m程度である。この磁場中アニール処理が施されることにより反強磁性層3
4は、少なくとも一部の不規則格子が規則格子に変態し、反強磁性特性を発揮する。すな
わち、反強磁性層34と第2固定磁性層31cの間に交換結合磁界が発生する。発生した
交換結合磁界により、第2固定磁性層31cの磁化方向はハイト方向に固定され、第1固
定磁性層31aの磁化方向はハイト方向に対して反平行方向に固定される。図9に示す矢
印方向は、第1固定磁性層31a及び第2固定磁性層31cの磁化方向をそれぞれ示して
いる。
層34が接触しているため、該反強磁性層34と第2固定磁性層31cの接触面積(交換
結合磁界が生じている面積範囲)を十分に確保でき、第2固定磁性層31cの磁化を強固
に固定することができる。よって、非磁性中間層31bを介して第1固定磁性層31aの
磁化も強固に固定される。
ップ層71及び第2バックフィルギャップ層72の上に、上部シールド層50を成膜する
。なお、上部非磁性金属膜40'は、上部シールド層50を成膜する直前に成膜してもよ
い。
側に長く延びて形成されており、該ハイト方向奥側位置で絶縁反強磁性層334に接して
いる。この固定磁性層331を構成する第2固定磁性層331cは、絶縁反強磁性層33
4との界面に生じた交換結合磁界により、磁化方向がハイト方向に反平行方向に固定され
ている。この第2固定磁性層331cと第1固定磁性層331aは、非磁性中間層331
bを介したRKKY的相互作用により、磁化が互いに反平行状態となっている。これによ
り、第1固定磁性層331aの磁化はハイト方向に固定される。
電流を流さない。これにより、非磁性材料層332及びフリー磁性層333のハイト方向
奥側位置で、絶縁反強磁性層334が第2固定磁性層1331cの下面に接触して備えら
れていても、GMR素子330を流れるセンス電流が絶縁反強磁性層334側へ流れ込む
ことがなく、センス電流のロスを抑制することができる。また絶縁反強磁性層334が発
熱することもなく、ジュール熱の発生を抑制可能である。
縁反強磁性層334は成膜初期段階での結晶性が悪く(一定膜厚以上でないと反強磁性特
性を得られないため)、第2固定磁性層331cの直上に絶縁反強磁性層334を形成し
た場合には該第2固定磁性層331cと絶縁反強磁性層334の界面に生じる交換結合磁
界が小さい。これに対し、金属反強磁性層434は、下側の界面でも第2固定磁性層33
1cとの交換結合磁界が大きくなる。よって、この金属反強磁性層434を第2固定磁性
層331cと絶縁反強磁性層334の間に介在していれば、第2固定磁性層331cと絶
縁反強磁性層334の間にはたらく交換結合磁界を増大させることができ、且つ、絶縁反
強磁性層334が上に位置していることからセンス電流が金属反強磁性層434にも入り
こむことがなく、センス電流のロスを防止することができる。
たボトムスピンバルブ型のGMR素子を備えたCPP−GMRヘッドに本発明を適用して
いるが、本発明は、下から順にフリー磁性層、非磁性材料層及び固定磁性層を積層したト
ップスピンバルブ型のGMR素子を備えたCPP−GMRヘッドにも適用可能である。ま
た上述の各実施形態では、本発明をシングルスピンバルブ型のCPP−GMRヘッドに適
用しているが、本発明は、下部固定磁性層、下部非磁性材料層、フリー磁性層、上部非磁
性材料層及び上部固定磁性層を順に積層したデュアルスピンバルブ型のCPP−GMRヘ
ッドにも適用可能である。
生用薄膜磁気ヘッド上にさらに記録用のインダクティブヘッドを積層した録再用薄膜磁気
ヘッドにも適用可能である。
10 下部シールド層
20 下部大面積非磁性金属膜
30 GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)
31 固定磁性層
31a 第2固定磁性層
31b 非磁性中間層
31c 第1固定磁性層
32 非磁性材料層
33 フリー磁性層
34 反強磁性層
40 上部大面積非磁性金属膜
50 上部シールド層
61 第1絶縁層
62 バイアス下地層
63 ハードバイアス層
64 第2絶縁層
201、301、401 CPP−GMRヘッド
234 反強磁性層
240 上部非磁性金属膜
271 第1バックフィルギャップ層
272 第2バックフィルギャップ層
330 GMR素子
331 固定磁性層
331a 第1固定磁性層
331b 非磁性中間層
331c 第2固定磁性層
332 非磁性材料層
333 フリー磁性層
334 絶縁反強磁性層
434 金属反強磁性層
R1、R2、R3 レジスト層
Tw GMR素子のトラック幅寸法
Tw' 固定磁性層のトラック幅寸法
h1 GMR素子の高さ寸法
h2 固定磁性層の高さ寸法
Claims (7)
- 所定のシールド間隔をあけて形成した下部シールド層と上部シールド層と、この上下のシールド層の間に位置する、中間に非磁性材料層を有し、該非磁性材料層の上下に固定磁性層とフリー磁性層の一方と他方を有する巨大磁気抵抗効果素子とを備え、この巨大磁気抵抗効果素子の膜面に直交する方向に電流が流れるCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、
前記固定磁性層は、前記非磁性材料層及び前記フリー磁性層よりもハイト方向奥側に延びて形成され、トラック幅方向の寸法よりもハイト方向の寸法が大きいこと、及び、
前記非磁性材料層及び前記フリー磁性層よりもハイト方向奥側のみに、前記固定磁性層の磁化方向をハイト方向に固定する反強磁性層を備えたこと、
を特徴とするCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。 - 請求項1記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記固定磁性層は、磁歪定数が正の値を有する磁性材料により形成され、記録媒体との対向面側の端面が開放されているCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
- 請求項1又は2記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記固定磁性層は、非磁性中間層を介して第1固定磁性層と第2固定磁性層を積層した積層フェリ構造をなし、この固定磁性層の一部又は全部が、Fe−Co−Cu(ただし、Fe>10原子%、Co>30原子%、Cu>5原子%)、Fe−Co−Cu−X(ただし、XはPt、Pd、Mn、Si、Au、Agのいずれか1種又は2種以上の元素である)、又はCo2MnY(ただし、YはGe、Si、Sn、Alのいずれか1種又は2種以上の元素である)により形成されているCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記反強磁性層は、Ni−O又はα−Fe 2 O 3 により形成された絶縁反強磁性層であるCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記反強磁性層は、Ni−O又はα−Fe 2 O 3 により形成された絶縁反強磁性層と、この絶縁反強磁性層と前記固定磁性層の間に介在する金属反強磁性層とであるCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
- 請求項1ないし5のいずれか一項に記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記巨大磁気抵抗効果素子と前記下部シールド層及び前記上部シールド層との間に、前記固定磁性層及び前記フリー磁性層の一方と他方に直接接触し、該固定磁性層及びフリー磁性層よりも大面積で形成された大面積非磁性金属膜を備えたCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
- 請求項6記載のCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記巨大磁気抵抗効果素子と前記下部シールド層の間に介在する大面積非磁性金属膜は、Ta/Cu、Ta/Ru/Cu、Ta/Cr、Ta/Ni−Cr、Ta/(Ni−Fe)−Cr又はCrのいずれかにより形成され、さらに組成中にCrを含む場合はCr含有量が20原子%を超えているCPP型巨大磁気抵抗効果ヘッド。
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