KR100259106B1 - 박막자기헤드 - Google Patents

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KR100259106B1
KR100259106B1 KR1019970006183A KR19970006183A KR100259106B1 KR 100259106 B1 KR100259106 B1 KR 100259106B1 KR 1019970006183 A KR1019970006183 A KR 1019970006183A KR 19970006183 A KR19970006183 A KR 19970006183A KR 100259106 B1 KR100259106 B1 KR 100259106B1
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야스히로 가와와케
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모리시타 요이찌
마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

실드갭 길이가 극히 짧은 초고밀도 자기기록용 박막 자기헤드를 제공한다.
자기저항 소자부는 도체층에 의해, 상부 실드부 및 하부실드부에 접합되어 있고, 상기 상부 실드부 및 하부 실드부를 통해, 상기 자기저항 소자부에 전류가 흐르는 구성을 구비하며, 상기 상부 실드부 및 하부 실드부는 리드부로서도 기능한다.

Description

박막 자기헤드
본 발명은 자기저항 효과소자(MR소자)를 가진 박막 자기헤드에 관한 것으로 특히, 실드갭 길이가 극히 좁은 초고밀도 자기기록용 박막 자기헤드에 관한 것이다.
종래부터 MR소자를 가진 박막 자기헤드의 개발이 진행되어 오고 있다. 종래의 MR소자부를 가진 박막 자기헤드의 부분단면도를 도 6 에 도시한다.
종래의 박막 자기헤드(200)는 기록 헤드부(180)와 재생 헤드부(190)를 구비하고 있다. 기록 헤드(180)는 자성체로 이루어진 헤드 코어(12, 13)와, 비자성 절연막으로 이루어진 기록갭(14)을 구비한다. 또한, 상기 비자성 절연막내를 관통하여, 권선 도체(11)가 설치되어 있다. 기록헤드부(180)는 권선 도체(11)에 전류를 흘림으로써 발생되는 자계를 헤드 코어(12, 13)에 수렴하여, 기록갭(14)으로부터의 누설 자계에 의해 매체로의 기록을 행한다. 상기 기록 헤드부(180)는 인텍티브형의 기록헤드라고 불리고 있다.
한편, 재생 헤드부(190)는 자성막으로 이루어진 상부 실드(13; 상기 기록 헤드 코어(13)와 겸용)와 하부실드(16)와, 이들 간의 실드갭(17)중에 절연막(18)에 의해 상부 실드(13)와 하부 실드(16)로부터 절연되어 배치되어 있는 MR 소자부(15)를 구비하고 있다. MR 소자부(15)에 전류를 공급하기 위해서 리드부(19)가 박막형상의 MR 소자부(15)의 면내의 방향으로 전류가 흐르도록 형성되어있다. 종래, MR 소자부(15)의 재료에는 퍼멀로이(예를들면, Ni0.8Fe0.2)가 사용되고 있었다. 상기 재생 헤드부(190)는 매체로부터의 신호자계의 변화를 MR 소자부(15)의 전기저항의 변화로서 검출하여, 그것에 따라 기록된 신호의 판독을 행하는 자기저항효과형 헤드로 되어있다.
그러나, 상술된 종래 기술을 사용하여 고밀도 기록을 달성하기 위해서는 이하의 과제가 있었다. 실드갭 길이(도 6 중dsg)는 재생해야 할 최단 신호파장과 동등 또는 그 이하로 할 필요가 있기 때문에, 고밀도 기록의 진전과 함께, 절연막(18)과 MR 소자부(15)의 두께를 얇게 하는 것이 요구되었다. 장래적으로는, 실드갭 길이는 약 100 nm이하로 될것으로 예상되고, 절연막(18)의 막두께를 약 50 nm로 할 필요가 생긴다. 그러나, 막두께가 약 50 nm 이하로, 양호한 절연성을 갖는 절연막을 형성하는 것은 기술적으로는 곤란하며, 이것이 고밀도 기록달성의 장해가 될 가능성이 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적하는 바는 실드갭 길이가 극히 짧은 초고밀도 자기기록용 박막 자기헤드를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 박막 자기헤드는 상부 실드부와, 하부 실드부및, 상기 상부 실드부와 상기 하부 실드부간에, 자기저항 소자부를 구비하며, 상기 자기저항 소자부는 도체층에 의해, 상기 상부 실드부 및 하부 실드부에 접합되어 있고, 상기 상부 실드부 및 하부 실드를 통해, 상기 자기저항 소자부에 전류가 흐르는 구성을 가지고 있고, 그 것에 따라 상기 목적이 달성된다.
상기 자기저항 소자부는 거대 자기저항 효과를 나타내는 다층구조를 갖는 것이 바람직하고, 상기 다층구조의 막면에 실질적으로 수직인 방향으로, 상기 전류가 흐르는 것이 바람직하다.
상기 다층구조는 연자성막을 구비하고, 상기 연자성막의 자화용이축은 검지하여야 할 자계의 방향과 실질적으로 직교하고 있는 것이 바람직하다.
상기 다층구조는 경질자성막과, 연자성막, 상기 경질자성막과 연자성막간에 형성된 비자성막을 구비하고, 상기 경질자성막의 자화용이축은 검지하여야 할 자계의 방향과 실질적으로 일치하는 구성으로 하여도 된다.
상기 비자성막과 경질자성막과의 계면과, 상기 비자성막과 연자성막과의 계면의 적어도 한쪽의 계면에, Co를 주성분으로 하는 두께 0.1 내지 1 nm의 계면자성막을 또한 구비하여도 좋다. 또한, 자기저항 소자부는 상기 다층구조를 여러개 구비한 구성으로 하여도 좋다. 또한, 상기 자기저항 소자부는 상기 다수의 다층구조간에 비자성막을 구비한 구성으로 하여도 좋다.
상기 다층구조는 금속 반강자성막과, 상기 금속 반강자성막과 자기적으로 결합한 제 1 자성막과, 연자성막, 상기 제 1 자성막과 상기 연자성막간에 형성된 비자성막을 이 순서대로 구비하고, 상기 제 1 자성막의 자화용이축은 검지하여야 할 자계의 방향과 실질적으로 일치하는 구성으로 하여도 된다.
상기 다층구조는 상기 비자성막과 상기 제 1 자성막과의 계면과, 상기 비자성막과 상기 연자성막과의 계면의 적어도 한쪽의 계면에, Co를 주성분으로 하는 두께 0.1 내지 1 nm의 계면자성막을 또한 구비하여도 좋다.
상기 자기저항 소자부는 상기 다층구조를 다수 구비하는 구성으로 하여도 무방하다. 또한, 상기 자기저항 소자부는 상기 다수의 다층구조간에 비자성막을 구비한 구성으로 하여도 무방하다.
상기 비자성막은 제 1 비자성막, 제 2 비자성막과, 상기 제 1 비자성막과 제2 비자성막에 끼워 지지된 제 3 비자성막을 구비하며, 상기 제 2 의 비자성막은 두께 0.1 내지 1 nm로서, 상기 제 1 비자성막과 제 2 비자성막과는 다른 재료로 형성되어 있는 구성으로 하여도 무방하다.
상기 연자성막은 NixCoYFez를 주성분으로 하고, 원자 조성비로 X는 0.6 내지 0.9, Y는 0 내지 0.4, Z는 0 내지 0.3이라도 좋다. 또한, 상기 연자성막은 NiX'CoY'Fez'를 주성분으로 하고, 원자조성비로 X'는 0 내지 0.4, Y'는 0.2 내지 0.95, Z'는 0 내지 0.5라도 무방하다.
상기 연자성막은 비정질 재료로 형성되어 있더라도 무방하다.
상기 비자성막은 Cu, Ag 및 Au중 어느 하나로 형성되어있는 것이 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 비자성막이 Cu로 형성되어 있고, 제 2 비자성막이 Ag로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 비자성막이 산화물 박막이라도 무방하다.
상기 산화물 박막은 산화 알루미늄으로 형성되어 있어도 무방하다.
상기 경질자성막은 주성분으로서 Co를 함유하는 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 경질자성막의 잔류 자화와 포화 자화의 비가 0.7 이상인 것이 바람직하다.
상기 금속 반강자성막은 NiMn, IrMn, 및 PtMn중 어느 하나로 형성되어 있어도 무방하다.
상기 다층구조는 한쌍의 자성막과 상기 한쌍의 자성막간에 끼워 지지된 비자성막을 구비하고, 상기 한쌍의 자성막은 반강자성 교환 결합되어 있는 한쌍의 연자성막이라도 무방하다.
상기 자기저항 소자부는 상기 다층구조를 다수 구비한 구성으로 하여도 된다.
상기 비자성막은 Cu, Ag 및 Au의 어느 것인가로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 작용에 대하여 설명한다.
본 발명의 박막 자기헤드는 MR 소자부와 상부 실드 및 하부 실드가 도체층에 의해 접속되어 있기 때문에, 상부 실드 및 하부 실드는 리드부로서도 기능한다. 도체층은 약 20 nm 정도 혹은 그 이하의 막두께로 초박막화하는 것이 용이하다. 따라서, 본 발명에 의한 박막 자기헤드는 MR 소자부와 실드간에 초절연 박막을 필요로 하지 않고, 상기 초협갭화에 있어서의 절연막의 문제라든지 MR 소자부의 초박막화의 문제가 해결된다.
또한, NR 소자부에 거대 자기저항 효과(GMR)를 나타내는 다층구조(인공격자막)를 사용하면, 다층구조는 센스전류의 방향이 막면에 수직 방향인 경우가, 면내 방향의 경우 보다도 큰 MR 변화율을 나타내기 때문에(예를들면 J. Appl, Phys.75(10), 15, May(1994) pp. 6709-6713), 보다 큰 재생출력이 얻어진다.
제 1도는 본 발명에 의한 박막 자기헤드의 부분단면도.
제 2a도 및 제 2b도는 본 발명에 의한 자기헤드에 사용되는 MR 소자부의 단면도로서, 제 2a도는 기본구성도, 제 2b도는 제 2a도의 구성을 다수회 적층한 구성도.
제 3a도 및 제 3b도는 본 발명에 의한 자기헤드에 사용되는 다른 MR 소자부의 단면도로서, 제 3a도는 기본구성도, 제 3b도는 제 3a도의 구성을 다수회 적층한 구성도.
제 4a도 및 제 4b도 는 본 발명에 의한 자기헤드에 사용되는 다른 MR 소자부의 단면도로서, 제 4a도는 기본구성도, 제 4b도는 제 4a도의 구성을 다수회 적층한 구성도.
제 5a도 및 제 5b도는 본 발명에 의한 자기헤드에 사용되는 다른 MR 소자부의 단면도로서, 제 5a도는 기본구성도, 제 5b도는 제 5a도의 구성을 다수회 적층한 구성도.
제 6도는 종래의 박막 자기헤드의 부분단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 11 : 권선도체 2, 12 : 헤드코어부
3, 13 : 헤드코어부(상부실드와 겸용) 4, 14 : 기록갭부
5, 15 : MR소자부 6, 16 : 하부 실드부
7, 17 : 실드갭 8, 18 : 절연막
10a, 10b : 도체층 19 : 리드부
본 발명에 의한 박막 자기헤드(100)의 부분단면도를 도 1 에 도시한다. 박막 자기 헤드(100)는 기록 헤드부(20)와 재생 헤드부(30)를 구비하고 있다. 기록헤드(20)는 자성체로 이루어진 상부헤드 코어(2) 및 하부헤드 코어(3)와, 비자성절연막으로 이루어진 기록갭(4)을 구비한다. 또한, 기록갭(4)을 형성하는 비자성절연막내를 관통하여, 권선 도체(1)가 설치되어 있다. 기록 헤드부(20)는 권선 도체(1)에 전류가 흐름으로써 발생되는 자계를 상부 헤드코어(2) 및 하부 헤드코어(3)에 수렴하여, 기록갭(4)으로부터의 누설 자계에 의해 매체로의 기록을 행한다. 상기 기록 헤드는 인덱티브형의 기록 헤드라고 불리고 있다. 기록 헤드부(20)의 구성은 상술된 도 6에 도시된 종래의 박막 자기헤드(200)의 구성과 같다.
재생 헤드부(30)는 자성막으로 구성되는 상부 실드(3; 기록헤드부(20)의 하부 헤드코어(3)와 겸용)와 하부실드(6)와, 이들 간의 실드갭(7)내에 배치되어 있는 MR 소자부(5)를 구비하고 있다. 상기 재생 헤드부(30)의 구성이 종래의 박막 자기헤드와 다르다.
실드갭(7)내의 MR 소자부(5)는 도체층(10a, 10b)를 통해, 상부실드(3)와 하부실드(6)간에 끼워 지지되어 있다. 상부실드(3)와 하부실드(6)는 MR 실드부(5)에 센스 전류를 공급하기 위한 리드부로서도 기능한다. 상부 및 하부 실드부는 도전성을 갖는 금속자성재료(예를들면, Fe-Si-Al 등으로 형성되어 있다.) 실드갭(7)내의 MR 소자부(5)가 배치되어 있지 않은 부분에는 절연층(8)이 형성되어 있다. 본 발명에 있어서의 박막 자기헤드(100)에서는 박막형상의 MR 소자부(5)의 막면에 수직인 방향으로 센스 전류가 흐른다.
종래의 박막 자기헤드(200)에 있어서, MR 소자부(15)가 절연막(18)을 통해 상부실드(13)와 하부실드(16)간에 끼워지지되어 있던 것에 반해, 본 발명에 의한 박막 자기헤드(100)에서는 MR 소자부(5)가 도체층(10a, 10b)을 통해 상부실드(3)와 하부실드(6)간에 끼워 지지되어 있다. 도체층은 절연층보다도 용이하게 초박막화 하는 것이 가능하기 때문에, 약 20 nm정도 혹은 그 이하의 막두께의 도체층(10a, 10b)을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 상기의 종래 기술에 있어서의 초협갭화에 있어서의 절연막의 문제라든지 MR 소자부의 초박막화의 문제가 해결된다.
또한, 종래의 MR 소자부의 자성체 재료로서 사용되고 있는 퍼멀로이(단층)는 자성체층에 수직방향(층두께 방향)으로 센스전류를 흘리더라도, 자기저항 효과를 나타내지 않기 때문에, 상술된 본 발명의 구성을 적용하면, 박막 자기헤드로서 충분히 기능하지 않는다. 본 발명의 박막 자기헤드의 MR 소자부(5)에서는 거대 자기 저항 효과(GMR)를 나타내는 다층구조(인공격자막)을 사용하는 것이 바람직하다.
GMR을 구비한 다층구조는 센스 전류의 방향이 막면에 수직방향인 경우가, 막면내 방향인 경우보다도, 큰 자기저항 변화율(이하 MR 변화율이라고 칭함)을 나타내기 때문이다. 또한, MR 변화율은 다음식으로 정의된다.
MR 변화율(%)=(R(최대치)-R(최소치))/R(최소치)× 100
다음에, 본 발명의 박막 자기헤드에 적합하게 사용되는 다층구조를 구비한 MR 소자부의 예를 이하에 설명한다.
도 2a 에 도시된 MR 소자부(다층구조; 50)는 경질자성막(51)과 연자성막(53)경질자성막(51)과 연자성막(53)간에 끼워 지지된 비자성막(52)을 포함하고 있다. 비자성막(52)은 경질자성막(51)과 연자성막(53)과의 자기적인 결합을 약하게 하기 위해서 형성되어 있다. 경질자성막(51)은 자화곡선의 각형성이 양호한 재료가 바람직하고, 검출하여야 할 자계(매체들의 신호자계)의 방향이 경질자성막(51)의 자화용이 축방향이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 MR 소자부(50)에 있어서는 연자성막(53)의 자화의 방향만이 신호자계에 의해 회전하고, 경질자성막(51)의 자화는 회전하지 않고, 연자성막(53)의 자화방향과 경질자성막(51)의 자화방향이 이루는 각도에 따라서, 전기 저항이 변화한다. 연자성막의 자화용이축은 검지하여야 할 자계의 방향과 거의 직교하고 있는 것이 선형성이 양호한 노이즈가 적은 출력을 얻기 위해서는 바람직하다.
본 명세서에서는 100 Oe 이상의 보자력를 가진 자성막을 「경질자성막」 이라고 하고, 20 Oe이하의 보자력를 가진 자성막을 「연자성막」 이라고 한다.
상기 MR 소자부(50)의 동작원리를 설명한다. 경질자성막(51)을 강자계에 의해 일방향으로 자화한 경우에 있어서, 경질자성막(51)이 자화된 방향과는 반대방향의 약한 신호자계가 MR 소자부(50)에 인가되면, 경질자성막(51)의 자화는 회전되지 않지만, 연자성막(53)의 자화는 신호자계의 방향으로 회전된다. 그 결과, 경질자성막(51)의 자화의 방향과 연자성막(53)의 자화의 방향과는 반평행하게 된다. 이와 같이 경질자성막(51)의 자화의 방향과 연자성막(53)의 자화의 방향이 반평행하게 됨으로써, MR 소자부(50)를 흐르는 전류의 전자는 주로, 경질자성막(51) / 비자성막(52) / 연자성막(53)의 계면에 있어서 자기적 산란을 받는다. 그 결과, MR 소자부(50)의 상기 저항이 증가한다. 한편, 경질자성막(51)이 자화된 방향과 동일한 방향의 약한 신호자계가 MR 소자부(50)에 인가되면, 경질자성막(51)의 자화방향과 연자성막(53)의 자화방향과는 평행하게 된다. 그 결과, 상술한 자기적 산란이 감소되기 때문에, MR 소자부(50)의 상기 저항이 감소한다. 이러한 원리에 따라, MR소자부(50)는 신호자계의 변화에 따라서, MR 소자부(50)의 상기 저항을 변화시킨다. 상술한 바와 같이, MR 소자부(50)에 있어서의 전기 저항의 변화의 원인은 다층구조의 계면에 있어서의 전자의 자기적 산란이기 때문에, MR 소자부(50)의 주변에 수직인 방향으로 흐르는 전류에 대한 전기 저항의 변화가 커진다. MR 소자부(50)의 주면은 다층구조를 형성하는 각층이 규정하는 면에 평행한 면이고, 다층구조의 적층방향에 수직인 면이다.
또한, 필요에 따라서, 상술한 다층구조를 가진 MR 소자부(50)에 바이어스 자화를 인가하기 위한 바이어스 자계용 도체선을 그 MR 소자부의 부근에 설치하여도 무방하고, 그 MR 소자부(50) 중 적어도 연자성막(53)을 단자구화 하기 위해서, 그 MR 소자부(50)의 단부에 반강자성체막이라든지 경질자성막을 또한 부착한 구성으로 하여도 된다. 이것은 후술하는 구성에 대하여도 마찬가지이다.
도 2b 에, 본 발명에 적합하게 사용되는 MR 소자부의 다른 구성을 도시한다. 도 2b 에 도시된 MR 소자부(50')는 도 2a 에 도시된 [경질자성막(51) / 비자성막(52) / 연자성막(53)] 의 구조를 비자성막(52)을 통해 다수회 적층한 구조를 가진다. 이러한 적층구조는 [경질자성막(51) / 비자성막(52) / 연자성막(53) / 비자성막(52)]N(N은 반복회수)로 나타내어진다. 이러한 적층구조를 채용함으로써, 각각의 막과 막과의 계면에서의 자기적 산란은 증가한다. 따라서, 실드갭 길이에 여유가 있는 경우에는 상술의 다수회 적층한 다층구조를 사용함으로써, 보다 큰 MR 변화율을 구비한 MR 소자를 얻게된다.
도 3a 에, 도 2a 에 도시된 샌드위치 타입의 MR 소자(50)에 있어서, 경질자성막(51)과 비자성막(52)과의 계면에 자성막(53'; 이하, 계면자성막이라 칭함)을 삽입한 MR 소자부(60)를 나타낸다. 또한, 계면자성막(53')은 비자성막(52)과 연자성막(53)과의 사이에 형성해도 된다. 계면자성막(53')의 자기특성은 계면자성막(53')이 접하는 자성막의 자기특성을 손상하지 않는 특성을 가지고 있으면 된다. 즉, 계면자성막(53')이 경질자성막(51)과 비자성막(52)간에 삽입되는 경우에는 계면자성막(53')과 경질자성막(51)이 전체로서 경질자성막으로서 기능하면 무방하고, 계면자성막(53')이 연자성막(53)과 비자성막(52)의 사이에 삽입되는 경우에는 계면자성막(53')과 연자성막(53)이 전체로서 연자성막으로서 기능하면 된다.
또한, 도 3b 에, 도 2b 에 도시된 적층타입의 MR 소자부(50')에 있어서, 경질자성막(51)과 비자성막(52)의 계면에 자성막(53')을 삽입한 MR 소자부(60')를 도시한다. 도 3b 에서는 경질자성막(51)의 양면에 계면자성막(53')을 설치한 구성으로 되어 있지만, 경질자성막(51)의 한면에만 계면자성막(53')을 설치한 구성으로 하여도 무방하다. 도 3b 에 도시된 MR 소자부(60')는 도 3(a)에 도시된 MR 소자부(60)와 비교하여, 보다 큰 MR 변화율을 나타낸다.
도 2b 및 도 3b 에 도시된 바와 같은 다수회 적층타입의 MR 소자부를 사용하는 경우에는 전자의 평균자유행정을 배려하여, 경질자성막(51)과 비자성막(52) 및 연자성막(53)과 계면자성막(53')의 각각의 막두께는 너무 두텁지 않게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 각층의 막두께는 6 nm이하인 것이 바람직하다. 또한, MR 변화율은 구성요소의 적층회수와 함께 증가하지만 효과가 현저하게 나타나는 것을 3회 이상으로, 10회 이상에서는 거의 포화하는 경향을 나타낸다.
본 발명에 사용되는 MR 소자부의 다른 구성으로서, 반강자성막을 이용한 다층구조의 예를 나타낸다.
도 4 에 도시된 MR 소자부(다층구조; 70)는 금속 반강자성막(54), 자성막(51'), 비자성막(52), 계면자성막(53')과 연자성막(53)을 이 순서로 적층한 구조를 가진다. 자성막(51')과 그 위에 적층된 금속 반강자성체막(54)은 도 2 및 도 3 에 도시된 MR 소자부의 경질자성막(51)과 같이 기능한다. 또한, 계면자성막(53')을 생략해도 된다. 자성막(51)과 연자성막(53)간에 끼워 지지된 비자성막(52)은 자성막(51')과 연자성막(53)과의 자기적인 결합을 약하게 하기 위해서 형성되어 있다. 또한, 계면자성막(53')은 계면에 있어서의 전자스핀의 자기적 산란을 향상하여, MR 변화율을 상승하는 효과가 있다. 계면자성막(53')은 비자성막(52)과 자성막(51')간에 형성해도 무방하고, 계면자성막(53')을 비자성막(52)의 양측에 형성해도 된다. 계면자성막(53')의 두께는 약 0.1 내지 약 2 nm, 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.5 nm 범위에 있는 것이 바람직하고, Co를 주성분으로 하는(2원계인 경우는 Co가 50 원자%를 초과하며, 3원계인 경우는 33.3 원자%를 초과한다)재료를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 MR 소자부(70)에 있어서는 신호자계에 의하여 연자성막(53)의 자화만이 회전하고, 자성막(51')의 자화는 회전하지 않고, 연자성막(53)의 자화의 방향과 자성막(51')의 자화의 방향이 이루는 각도에 따라서 전기저항이 변화한다. MR 소자부(70)는 자성막(51')의 자화용이축 방향이 신호자계의 방향으로 되도록 구성되는 것이 바람직다.
또한, 실드갭 길이에 여유가 있는 경우에는 도 4b 에 도시된 바와 같이, 도 4a 의 구성단위를 비자성막(52')을 통해 다수회 적층한 MR 소자부(70')를 형성하면 더욱 큰 MR 변화율을 얻게된다.
상술한 MR 소자부에 있어서, 특히 비자성막내에 자성막간의 자기적 결합을 약하게 하는 효과가 있는 두께 약 0.1 내지1 nm의 또다른 비자성막을 설치하면 연자성막의 자화회전이 보다 부드럽게 행해져 MR 소자부의 자계감도가 향상한다. 이 경우, Cu 로 이루어진 비자성막과의 사이에, Ag 로 이루어진 비자성막을 설치하면 효과적이다.
또한, 연자성막의 재료로서는 NiXCoYFeZ를 주성분으로 하고, 원자 조성비로 X는 0.6 내지 0.9, Y는 0 내지 0.4, Z는 0 내지 0.3인 것을 사용하면 감도가 좋은 MR 소자부를 얻게된다. 또한, 연자성막의 재료로서, NiX'CoY'FeZ'를 주성분으로하고, 원자조성비로 X'는 0 내지 0.4, Y'는 0.2 내지 0.95, Z'는 0 내지 0.5인 것을 사용하면 비교적 큰 MR 변화율을 나타내는 MR 소자부를 얻게된다. 또한, 연자성막의 재료에 비정질자성막인 Co-Mn-B, Co-Fe-B등을 사용하면 얇은막두께로 연자성를 나타내고, GMR 특성을 나타내는 MR 소자부를 얻게된다.
비자성막의 재료로서, 금속재료가 바람직하고, 특히 Cu, Ag, Au중 어느하나를 사용하면, MR 소자부가 양호한 GMR 특성을 나타내기 때문에 바람직하다. 또한, 얇은 산화물 박막으로 이루어진 터널 GMR 막을 사용하여 비자성막을 형성해도 된다. 상기의 경우에는 MR 소자부의 전기저항을 리드부에 대하여 충분히 크게 할 수 있기 때문에, MR 소자부의 초박막화도 용이하게 행하며, 초협실드갭의 박막 자기헤드를 형성하기 쉽다고 하는 이점이 있다. 산화물박막의 재료로서는 Al산화물(Al2O3)이 바람직하다. 또한, 비자성막은 산화물과 금속과의 혼합물로 이루어진 막(예를들면, 산화물중에 기둥형상의 도체부가 도전채널로서 존재하는 막)이라도 무방하다.
경질자성막으로서는 주성분으로서 Co를 함유한 것(2원계인 경우는 Co가 50 원자%를 초과, 3원계인 경우는 33.3 원자%를 초과)을 사용하면 큰 MR 변화율을 얻게된다. 본 발명에 적합하게 사용되는 경질자성막의 자화곡선은 양호한 각형성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 본 명세서에서는 「양호한 각형성」이란 각형비 S(=잔류자화/ 포화자화)가 약 0.7 이상 이라고 정의한다. 각형비 S가 0.7 보다 작은 경우에는 영 자계 부근의 MR 곡선이 열화한다. 영 자계 부근의 MR 곡선의 열화는 자기저항 효과형 헤드의 재생감도라든지 선형성을 열화시키는 원인이 된다. 경질자성막의 각형비가 약 0.7 이상인 것이 바람직하고, 이 조건은 선형성이 양호하고, 또한 큰 MR 변화율을 나타내는 MR 소자부를 얻는데 중요하다.
반강자성막의 재료로서는 도전성을 구비한 금속재료가 바람직하고, 구체적으로는 NiMn, IrMn 및 PtMn을 들 수 있다. 산화물 반강자성체는 통상, 막두께가 약 10 내지 약 50 nm 이상이 아니면 반강자성을 나타내지 않고, 전기저항도 높기 때문에, 바람직하지 못하다.
MR 소자부의 구성으로서는 상기 이외에, 도 5a 및 5b 에 도시한 MR 소자부(80, 80')를 사용할 수 있다. MR 소자(80)는 Cu, Ag, Au 등의 비자성막(82)을 통해 반강자성 교환결합한 두개의 같은 타입의 자성막(81, 81'; 즉, 2개의 연자성막 또는 두개의 경자성막)을 구비하고 있다. 또한, 상기의 구성을 다수회 적층한 구성을 구비한 MR 소자부(80')를 사용하여도 된다. 이 구성을 사용하면 큰 MR 변화율을 얻게 되지만, 감도는 어느 정도 저하한다. 감도의 저하를 억제하기 위해서는 두개의 자성막(81, 81')은 연질자성막인 것이 바람직하다.
경질자성막 및 연질자성막의 재료로서는 상술의 재료를 사용할 수 있다. 비자성막(82)의 두께가 약2 nm 부근인 경우에, 두개의 자성막(81 및 81')은 반강자성적으로 결합한다. 이들의 MR 소자부(80 및 80')는 큰 MR 변화율을 얻게 되지만, 감도는 상술한 것과 비교하면 약간 뒤떨어지지만, 용도에 따라서는 사용할 수 있다.
[실시예]
이하에, 본 발명의 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예 1 에서는 아래와 같이 하여, 도 2b 에 도시된MR 소자부(50')를 구비한 박막 자기헤드(100; 도 1)을 제작하였다. 우선, 기판(예를들면, 글라스 기판) 상에 Fe-Si-Al(두께 : 약 2 ㎛)을 스패터법으로 성막하여, 하부실드(6)를 형성하고, 그 위에, 두께 약 20 nm의 Cu를 성막하여 패터닝함으로써 도체층(10a)을 형성하였다. 도체층(10a)상에, [Co0.50Fe0.50(3nm) / Cu(2nm) / Ni0.68Fe0.20Co0.12(13nm) /Cu(2nm)]3으로 이루어진 MR 소자부(50'; 두께가 약 60 nm)를 스패터법으로 형성하였다. MR 소자부(50')상에, 두께 약 20 nm의 Cu를 스패터법으로 성막하여, 패터닝함으로써, 도체층(10b)을 형성하였다. 그 후, 절연막으로서 두께 약 100 nm의 Si3N4를 반응 스패터법으로 성막하여, MR 소자부(50')에 관통구멍을 개방한 후, Fe-Si-Al(두께 : 약 2 ㎛)을 스패터법으로 막형성함으로써 상부실드(3)를 형성하였다.
그 후, 권선도체(1)를 구비한 비자성 절연막(4) 및 헤드코어(2)를 형성함으로써, 박막 자기헤드(100)를 제작하였다. 비자성절연막(4) 및 헤드코어(2)는 공지의 재료 및 공지의 제조방법을 사용하여 형성할 수 있다. 얻어진 좁은 실드갭 길이(약 100 nm)을 가진 박막 자기헤드(100)는 충분한 재생출력을 얻게 되었다.
[실시예 2]
실시예 1 의 MR 소자부(50')를 도 4a 에 도시된 MR 소자부(70)를 대신한 것 이외는 실시예 1 과 같이 하여, 실시예 2 의 박막 자기헤드를 제작하였다.
본 실시예에 있어서의 MR 소자부(70)는 [Ir0.20Mn0.80(10nm)/Co0.50Fe0.50(4nm)/Al2O3(5nm)/Co(0.8nm)/Ni0.88Fe0.20Co0.12(10.2nm)] 의 다층구조(두께 : 약 70 nm)을 갖는다. 도체층(10a, 10b)으로서, 두께 약 15 nm의 Cu막을 형성하였다. 본 실시예의 박막 자기헤드도, 실시예 1 과 같이, 충분한 재생출력을 얻게 되었다.
[실시예 3]
본 실시예에서는 하부실드(6)의 재료로서 Ni-Fe-Co를 사용한 것 및 MR 소자부(70)를 대신하여, 하기의 MR 소자부(70)를 사용한 것 이외는 실시예 2 와 같이하여, 실시예 3 의 박막 자기헤드를 제작하였다.
본 실시예의 MR 소자부(70)는 [Ir0.20Mn0.80(8nm) / Co(3nm) / Al2O3(5nm)Co0.90Fe0.10(1nm) / CoMnB(2nm)] 의 다층구조(두께:약 19 nm)을 갖는다. 도체층(10a, 10b)으로서, 두께 약 20 nm의 Cu막을 성막하여, 절연막으로서, 두께 약 60nm의 Si3N4를 성막하였다. 상기 다층구조의 특징은 연자성막의 재료로서 비정질의 CoMnB를 사용한 점에 있다. 실시예 3 의 박막 자기헤드는 실드갭 길이가 약 60 nm로 대단히 좁지만, 실시예 1 과 같이, 충분한 재생출력을 얻게 되었다.
[실시예 4]
실시예 1 의 MR 소자부(50')를 도 5b 에 도시된 MR 소자부(80')로 대신한 이외는 실시예 1 과 같이 하여, 실시예 4 의 박막 자기헤드를 제작하였다.
본 실시예에 있어서의 MR 소자부(80')는 [Ni0.68Co0.20Fe0.12(3nm) / Cu(2nm) / Co0.7Fe0.20Ni0.10(3nm) / Cu(2nm)]6의 다층구조(두께: 약 60 nm)를 갖는다. 본 실시예의 박막 자기헤드는 감도는 약간 낮지만, 실시예 1 과 같이, 충분한 재생출력을 얻게 되었다.
[비교예 1]
본 비교예 1 에서는 아래와 같이 하여, 도 6 에 도시된 종래의 박막 자기헤드(200)를 제작하였다. 글라스 기판상에, Fe-Si -Al(두께 : 약2 ㎛)을 스패터법으로 성막하여, 하부실드(16)를 형성하였다. 다음에, 두께 약 40 nm의 Si3N4를 반응 스패터법으로 막형성하여, 절연막(18; 하부)을 형성하였다. 절연막(18; 하부)상에, [Co0.50Fe0.50(3nm) / Cu(2nm) / Ni0.68Fe0.20Co0.12(3nm) / Cu(2nm)]로 이루어진 MR 소자부(15)를 스패터법으로 막형성하고, 그 위에, 두께 약 40 nm의 Si3N4를 반응 스패터법으로 막형성하여, 절연막(18; 상부)을 형성하였다. 절연막(18)상에 Fe-Si-Al(두께: 약 2 ㎛)을 스패터법으로 막형성하여, 상부실드(13)를 형성하였다.
이하, 실시예 1 과 같이 하여, 박막 자기헤드(200)를 제작하였다. 두께 약 40 nm의 Si3N4에서는 절연이 불충분하고, 비교예 1의 박막 자기헤드(200)는 MR 소자부(15)와 실드부(13, 16)의 사이에서 리크가 있어, 불안정한 동작을 나타내었다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 박막 자기헤드는 실드부와 MR 소자부간의 초박 절연막을 필요로 하지 않기 때문에, 종래의 박막 자기헤드의 초협갭화에 있어서의 절연막의 문제는 없고, 실드갭 길이가 극히 짧은 초고밀도 자기기록용 박막 자기헤드를 제공할 수 있다. 특히, MR 소자부에 GMR를 나타내는 다층구조를 사용하면, MR 소자부에 그 막면에 수직방향으로 전류가 흘러, 큰 자기저항 효과를 얻게된다.

Claims (33)

  1. 상부 실드부, 하부 실드부 및, 상기 상부 실드부와 하부 실드부 사이의 자기저항 소자부를 구비하는 박막 자기헤드에 있어서,
    상기 자기저항 소자부는 도체층을 통해 상기 상부 실드부 및 하부 실드부에 접속되어 있고,
    전류는 상기 상부 실드부 및 하부 실드부를 거쳐 상기 자기저항 소자부를 통해 흐르고, 다층구조의 면에 실질적으로 수직인 방향으로 흐르며,
    상기 다층구조는 연자성막을 포함하고, 상기 연자성막의 자화용이축은 검지될 자계의 방향에 실질적으로 직교하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 거대 자기저항 효과를 나타내는 다층구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다층구조는 경질자성막, 연자성막 및 상기 경질자성막과 연자성막 사이에 형성된 비자성막을 포함하고,
    상기 경질자성막의 자화용이축은 검지될 자계의 방향과 실질적으로 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 비자성막과 경질자성막 사이의 계면과, 상기 비자성막과 연자성막의 계면중 적어도 한쪽의 계면에서, 두께가 0.1 내지 1nm인. Co 를 주성분으로 하는 계면 자성막을 부가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 복수의 다층구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 복수의 다층구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 상기 복수의 다층구조 사이의 비자성막을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 상기 복수의 다층구조 사이의 비자성막을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 다층구조는 금속 반강자성막, 상기 금속 반강자성막에 자기적으로 결합된 제 1 자성막, 연자성막 및, 상기 제 1 자성막과 상기 연자성막 사이에 형성된 비자성막을 차례로 포함하며,
    상기 제 1 자성막의 자화용이축이 검지될 자계의 방향과 실질적으로 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 다층구조는 상기 비자성막과 제 1 자성막과 제 1 자성막 사이의 계면과, 상기 비자성막과 연자성막 사이의 계면중 적어도 한쪽의 계면에, 두께가 0.1 내지 1nm인. Co를 주성분으로 하는 계면자성막을 부가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 복수의 다층구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 복수의 다층구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 상기 복수의 다층구조 사이에 비자성막을 부가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 자기저항 소자부는 상기 복수의 다층구조 사이에 비자성막을 부가로 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 비자성막은 제 1 비자성막, 제 2 비자성막 및, 상기 제 1 비자성막과 제 2 비자성막 사이에 끼워 지지된 제 3 비자성막을 구비하고,
    상기 제 2 비자성막은 두께 0.1 내지 1nm의 두께를 가지며, 상기 제 1 비자성막 및 제 2 비자성막과는 상이한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 비자성막은 제 1 비자성막, 제 2 비자성막 상기 제 1 비자성막과 제 2 비자성막 사이에 끼워 지지된 제 3 비자성막을 구비하고,
    상기 제 2 비자성막은 두께가 0.1 내지 1nm이며, 상기 제 1 비자성막 및 제 2 비자성막과는 상이한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 연자성막은 NiXCoYFeZ를 주성분으로 하며, 원자조성비로, X는 0.6 내지 0.9, Y는 0 내지 0.4, Z는 0 내지 0.3 인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 연자성막은 NiX'CoY'FeZ'를 주성분으로 하며, 원자조성비로, X'는 0 내지 0.4, Y'는 0.2 내지 0.95. Z'는 0 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 연자성막은 비정질재료로 형성된 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  20. 제 3 항에 있어서, 상기 비자성막은 Cu, Ag 및 Au중에서 선택된 어느 하나의 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  21. 제 9 항에 있어서, 상기 비자성막은 Cu, Ag 및 Au중에서 선택된 어느 하나의 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 비자성막이 Cu로 형성되고, 제 3 비자성막이 Ag로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 비자성막이 Cu로 형성되고, 제 3 비자성막이 Ag로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  24. 제 3 항에 있어서, 상기 비자성막은 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  25. 제 9 항에 있어서, 상기 비자성막은 산화물 박막인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  26. 제 24 항에 있어서, 상기 산화물 박막은 산화알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 산화물 박막은 산화알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  28. 제 3 항에 있어서, 상기 경질자성막은 주성분으로서 Co를 함유하는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  29. 제 3 항에 있어서, 상기 경질자성막의 포화자화에 대한 잔류자화의 비가 0.7 이상인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  30. 제 9 항에 있어서, 상기 금속 반강자성막은 NiMn, IrMn 및 PtMn 로 부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  31. 제 2 항에 있어서, 상기 다층구조는 한쌍의 자성막과 상기 한쌍의 자성막 사이에 끼워 지지된 비자성막을 구비하고,
    상기 한쌍의 자성막은 반강자성 교환 상호작용으로 결합되어 있는 한쌍의 연자성막인 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 자기저항 소자부는 복수의 다층구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
  33. 제 31 항에 있어서, 상기 비자성막은 Cu, Ag 및 Au로부터 선택된 어느 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 자기헤드.
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