JPH10501657A - 永久磁石安定化を使用する単一磁区のｍｒセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の永久磁石安定化を有する磁気抵抗センサ（１０）は、磁気抵抗層（１２）、少なくとも１つの永久磁石（１４ａまたは１４ｂ）、および、第１と第２電流コンタクト（１６ａおよび１６ｂ）を備える。磁気抵抗層（１２）は、第１厚さを有する活動検知領域（１８）と、第１厚さより小さい第２厚さを有する少なくとも１つの下層領域（２６ａまたは２６ｂ）を備える。各永久磁石（１４ａまたは１４ｂ）は磁気抵抗層（１２）の下層領域（２６ａまたは２６ｂ）の上に形成され、そして第１と第２コンタクト（１６ａまたは１６ｂ）は活動領域（１８）に電気結合される。

Description

【発明の詳細な説明】 永久磁石安定化を使用する単一磁区のＭＲセンサ 発明の背景 本発明は磁気抵抗（ＭＲ）センサに関する。特に本発明は、凹み領域を持った ＭＲ層と、その中に収容される永久磁石材料を有するＭＲセンサに関する。 ＭＲセンサは、磁気媒体に記憶されている磁束レベルを検出するのに使用され る。ＭＲセンサにおいて、センサの抵抗が、センサを通る磁束のマグニチュード と共に変化する。典型的には、センサに一定の電流が通され、そしてセンサを通 る磁束のマグニチュードがセンサにおける電圧の変化によって表示される。電圧 は無論センサの抵抗の関数になる。また一定の電圧をＭＲセンサに掛けてもよい 。この場合磁束マグニチュードはセンサを流れる電流の変化によって表わされる 。 ＭＲセンサにおいて、ＭＲセンサの活動領域の磁化がセンサを通る電流の方向 に対し約４５°に行われると、線形の応答が得られる。ある入力電流に対するＭ Ｒセンサの出力電圧はＣＯＳ^{2 θ}に比例する。ここで^θは静磁化ベクトルと電流 ベクトルとの間の角度である。４５°において、その関数は、センサ内の飽和効 果と関連して、磁束の等しく且つ反対の偏向に対応する最大である等しく且つ反 対の変化を提示する。 パーマロイは、長く細いストリップにされた場合、自然にその長軸心に沿って 磁化ベクトルを作る傾向をもっているが、外部の磁場を受けた場合多磁区に分割 され易い。これはバルクハウゼン雑音を引起す。さらにＭＲセンサのあるものは パーマロイの長く細いストリップから形成されない。そこで当該技術で、永久磁 石を使ってＭＲセンサを単一磁区状態に安定させることが知られている。 従来技術において、センサ安定は典型的には強力バイアス掛け（hard biasing ）または交換結合(exchange coupling)によって行われる。一般的に強力バイア ス掛けは、永久磁石の境界を磁気抵抗層の境界に隣接して設置することによって 行われる。永久磁石境界から出る磁束が磁気抵抗層内に流入し、これによって磁 気抵抗層を単一磁区状態に安定化させる。 交換結合は一般的に、磁気抵抗層の部分の上に反強磁性層または永久磁石層を 付着させることによって行われる。この追加された層の磁気特性が磁気抵抗層内 へ交換結合され、これによって磁気抵抗層を安定させる。従来技術の交換結合で は、永久磁石材料が電流コンタクト構造体の役をするのが普通である。 発明の摘要 本発明は単一磁区の磁気抵抗センサに関する。このセンサは、磁気抵抗層、少 なくとも１つの永久磁石、および第１と第２の電流コンタクトで構成される。磁 気抵抗層は、第１の厚さを有する活動検知領域、および第１厚さより小さい第２ の厚さを有する少なくとも１つの下層領域を備える。この磁気抵抗層の下層領域 の上に永久磁石が形成され、そして活動領域に第１と第２電流コンタクトが電気 接続される。 図面の簡単な説明 第１図は本発明に従って製造される磁気抵抗（ＭＲ）センサを示す。 第２図から第７図は、第１図の２−２線から見た第１図のセンサの製造方法を 示す断面図である。 好適な実施形態の詳細な説明 第１図は本発明に従って製造される磁気抵抗（ＭＲ）センサ１０を示す。この センサ１０は、ＭＲ層１２（典型的にはパーマロイ）、永久磁石１４ａと１４ｂ 、および、斜切断された（canted）コンタクト１６ａと１６ｂを備える。ＭＲ層 １２は活動領域１８と、永久磁石１４ａと１４ｂの下になる２つの不活動下層領 域（第１図では見えない）とを備える。コンタクト１６ａと１６ｂは活動領域１ ８の一部分の上に重なり、それらコンタクトの縁部の間に電流搬送領域（curren t carrying region）１８ａを形成する。 センサ１０において、コンタクト１６ａと１６ｂに読取り電流が流される。コ ンタクト１６ａと１６ｂはＭＲ層１２より低い抵抗を持つから、コンタクト１６ ｂから電流は、このコンタクト１６ｂと電流搬送領域１８ａとの間の境界に直角 に流出する。コンタクト１６ｂはセンサ１０の長手方向軸心に対し約４５°に斜 切断されているので、電流は、第１図の電流搬送領域１８ａの矢印（Ｉ）で示さ れるように、長手方向軸心に対し約４５°で領域１８ａを通って流れる。 電流が電流搬送領域１８ａを通って流れていくとき、電流はその領域１８ａの 底部から頂部の方へ向って流れ、コンタクト１６ａに流入する。このコンタクト １６ａも高い伝導性の材料で作られている。電流はそこから読取り増幅器へ入る 。 永久磁石材料はＭＲ材料よりも著しく高い抵抗を持っているから、殆んど全て の電流がコンタクト１６ｂの右下三角形２１ｂからコンタクト１６ａの左上三角 形２１ａへ流れる。ＭＲ材料と永久磁石材料との間の電流は実質的に無い。 検知領域２０は、磁気媒体に記憶されている磁束レベルを検出するのに使用さ れるセンサ１０の部分を示す。センサ１０が磁気記憶装置に組込まれるとき、空 気ベアリング面１９が磁気媒体の表面に平行に設置され、検知領域２０がその表 面のトラックを読取る。例えばハードディスク・ドライブ(hard disc drive)の 場合、センサ１０は典型的には、その空気ベアリング面１９をハードディスク表 面に平行に、そしてセンサの一方の端をディスク表面の内半径に近く、他方の端 をディスク表面の外半径に近くして、作動腕の端に設置される。このような構成 において作動腕は検知領域２０を、ディスク表面の半径方向の複数のトラックに 対し選択的に隣接させるように動かす。 磁気媒体がＭＲセンサ１０に対して動くと、その媒体に記憶されている磁束の 遷移(transitions)が検知領域２０の下を通過していく。そこで領域２０に入る 磁束が変化するので、活動領域１８の電流搬送領域１８ａの抵抗が変化する。セ ンサ１０に一定電流が通されれば、コンタクト１６ａと１６ｂの間の電圧は、検 知領域２０における磁束の関数として変化する。またコンタクト１６ａと１６ｂ に一定電圧を掛ければ、この場合はセンサ１０を流れる電流が検知領域２０にお ける磁束と共に変化する。 読取り感度を最高にし、そしてバルクハウゼン雑音を最少にするために、ＭＲ 層１２の活動領域１８が多磁区に分割しないことが望ましい。パーマロイが長く 細いストリップに作られた場合、このストリップは自然にストリップの長手方向 軸心に沿った磁化ベクトルを作る傾向を持っている。しかし外部磁場が加わると ストリップは多磁区に分割されることがあり、そしてストリップはその後単一磁 区に戻らない。 活動領域１８が、センサ１０の長手方向軸心に沿った方向の磁化ベクトルを持 つ単一磁区を備えるようにするため、ＭＲ層１２の両端の上に永久磁石１４ａと １４ｂが設置される。永久磁石１４ａと１４ｂが作る磁場は、活動領域１８を強 制的に単一磁区にし、活動領域１８に外部磁場に対するより大きい免疫性をもた せ、そして活動領域１８が外部磁場により多磁区に分割された場合でも再び単一 磁区に戻れるような傾向を大きくする。 第２図から第７図までは本発明によるＭＲセンサ１０の製造方法を示す。第２ 図から第７図は、本発明の概念を明瞭に示すよう、第１図の２−２線（空気ベア リング面１９に近い）に沿った向きにされている。ここで本発明は斜切断された 形状を以って説明されるが、そのＭＲセンサの形状は、永久磁石安定に必要な任 意の形状にしてよい。例えば、ジョージ等の１９９２年８月２５日の米国特許出 願第０７／９３６，１８５号、発明の名称「永久磁石安定化を使用する改良され た読取り感度のＭＲヘッド」、ピータ・Ｉ・ボニイハードの１９９３年１１月８ 日の米国特許出願第０８／１４８，８９０号、「差し挟まれた永久磁石と磁気抵 抗セグメントを有するバーバーポールＭＲセンサ」、および、ピータ・Ｋ・ジョ ージの１９９４年１月２７日の米国特許出願第０８／１８８，０７９号、「バー バーポール・バイアス・デザインのための読取り感度機能」（以上は全て本出願 と同じ譲渡人に譲渡され、またここに参照とされるものである）はそれぞれ、永 久磁石安定化を使用するＭＲセンサを開示している。そこでそれら出願に記載の センサは全て第２図から第７図に示される方法で製造することができよう。 第１図のセンサを作るために絶縁層２２にＭＲ層１２が付着される。ＭＲ層１ ２は典型的にはパーマロイ（Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀）で形成され、厚さ約３００Åにされ る。絶縁層２２は典型的には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）のような所要の絶 縁特性を有する材料で作られる。 ＭＲ層１２が付着された後、第３図に示されるように、ＭＲ層１２の上にフォ トレジスト２４がＭＲ層１２の活動領域１８を画成するパターンで付着される。 フォトレジスト２４を被せられない区域に永久磁石材料が付着され、そしてフォ トレジスト２４を被せられた中央領域は層１２の活動領域１８になる。 第４図において、その構造体はイオン・ミーリング(ion milling)または化学 的エッチングを受け、これによってＭＲ層１２のフォトレジスト２４で覆われて いない個所の全てではないが大部分が除去され、後にＭＲ層１２の下層領域２６ ａと２６ｂが残される。これら下層領域２６ａと２６ｂは厚さが５０Åから１５ ０Åである。 第５図において、その全構造体の上に永久磁石層２８がスパッタリングによっ て付着される。この層２８は下層領域２６ａと２６ｂの中央部の上で厚さが５５ ０Åのオーダーである。層２８は好適にはコバルト白金（Ｃｏ₇₅Ｐｔ₂₅）で作ら れるが、しかし磁気抵抗性でなく、そしてＭＲ層１８より著しく高い抵抗を有す る任意の永久磁石材料を使用できる。上記の好適な厚さの場合、コバルト白金は 約８０μΩ／ｃｍの抵抗を有する。パーマロイは磁場が加えられていない場合約 ２３μΩ／ｃｍの抵抗を有している。 構造体上に永久磁石層２８が付着された後フォトレジスト２４が除去される。 典型的にはアセトンのような溶剤が構造体に着けられる。溶剤は永久磁石層２８ の小さなひび割れの間に浸透し、フォトレジスト層２４を溶かして下層２８から 除去する。フォトレジスト層２４が除去されると、第６図に示されるように層２ ８の下から支持されていない部分は破断される。 第６図に示されるように永久磁石材料は下層領域２６ａと２６ｂの上の凹み区 域の中にだけ残る。フォトレジストの支持されない区域が破断される結果として 、永久磁石１４ａと１４ｂ上にそれぞれスパイク３３ａ、３３ｂと３４ａ，３４ ｂが残る。スパイク３３ｂと３４ａは活動領域１８に隣接している。理想的には 、永久磁石１４ａと１４ｂが活動領域１８と正確に同じ高さになるようにプロセ スを調節するのが好いであろう。しかしプロセスがその目的に適うように調節さ れたにしても、プロセスの変動によって、ある永久磁石領域は活動ＭＲ領域より 低くなり、そして他の永久磁石領域は活動ＭＲ領域より高くなる。永久磁石領域 が活動ＭＲ領域より低い場合、この活動ＭＲ領域は縁部が露出され、これによっ てＭＲ領域は多磁区に分割し始めるようになる。従ってスパイク３３ａと３４ａ は、この永久磁石材料によって活動領域１８の縁部を完全に取囲むようにするこ とによって、活動領域１８を単一磁区に安定化するのを助けるのである。好適に はプロセスは、永久磁石材料がＭＲ層と少なくとも同じレベルに付着されるよう にすると共に、スパイクの高さを最小限にするように調節される。第６図と第７ 図に おいてスパイクの高さは図面を解り易くするため誇張されていることを留意すベ きである。ここに記述してきた好適なプロセスを使用した場合、スパイクは約１ ００Å高さで約１０００Å幅であり、そして正確には「マウンド（mounds）」ま たはヒル(hills)」と称することができよう。 第６図にまた示されるように、第１図の電流コンタクト１６ａと１６ｂを形成 するためそれらコンタクトのパターンに合わせてフォトレジスト層３０が付着さ れる。第６図は第１図の２−２線による断面図であるからフォトレジスト３０は 第６図の活動領域１８の左側の方の位置から着けられる。さらにセンサ１０は第 ６図の矢印３２ａの左側と矢印３２ｂの右側の材料が切除される。 第７図において、センサ１０に電流コンタクト１６ａと１６ｂが付着され、そ して活動領域１８に電気接触させられている。またフォトレジスト３０は除去さ れている。磁気抵抗層１２は永久磁石１４ａと１４ｂより著しく小さい抵抗を有 するから、検知電流は永久磁石１４ａと１４ｂを通らず、活動領域１８に流れる 。コンタクト１６ａと１６ｂは永久磁石材料に比較して小さい抵抗を有する任意 の伝導性材料で作られよう。 第２図から第７図は、斜切断される電流センサと関連して本発明の方法を示し ているが、本発明は任意の個数の永久磁石を使用する永久磁石安定化を有する任 意のセンサに適用できるものである。例えば、先に挙げたピータ・Ｉ・ボニイハ ードの出願は最少３個の永久磁石をもったバーバーポールを開示し、またティモ シィ・Ａ・マドスン等の１９９４年２月２５日の米国特許出願第０８／２０２， ０５２号、「垂直コンタクト−斜切断磁石磁気抵抗センサ」（これは本出願と同 じ譲受人に譲渡され、またここに参照とされる）は、空気ベアリング面に対し４ ５°の方向に磁化を行う単一の永久磁石層を有するセンサを示している。本発明 の永久磁石安定化方法はそれら出願に記載のいずれのセンサにも適用できる。 従来技術において永久磁石安定化は典型的には強力バイアス掛けまた交換結合 で行われている。一般的にいって強力バイアス掛けは永久磁石の境界を磁気抵抗 層の境界に隣接して設置によって行われる。永久磁石境界から出た磁束が磁気抵 抗層内に流入して磁気抵抗層を単一磁区に安定にする。 交換結合は一般的にいって磁気抵抗層の上に永久磁石層を形成することによっ て行われる。永久磁石の磁気特性が磁気抵抗層に交換結合され、これによって磁 気抵抗層を安定にする。 先に挙げたジョージ等の米国出願において強力バイアス掛けは、永久磁石層を 磁気抵抗層に隣接して全体的に同一平面にして付着することによって行われてい る。それら２つの層はほぼ同じ厚さをもっている。このような構成においては２ つの層の間の境界を制御することが難しく、しばしばそれら層の間に間隙ができ る。これらの間隙はＭＲセンサの活動領域を多磁区に分割させる。本発明におい ては、ＭＲ層の活動領域と下層領域を画成するフォトレジスト層がまた永久磁石 材料のパターンを作るのにも使用される。同じフォトレジスト層を使うことによ って永久磁石材料のスパイクを活動領域に隣接して形成することができ、これに よって活動領域と永久磁石材料との間に優れた接合が行われる。 特定の操作理論に限定されることなく、それら永久磁石は交換結合と強力バイ アス掛けの組合せを提供するものと信じられる。第６図のスパイク３３ｂと３４ ａの存在によって、活動領域１８に隣接する境界が形成される。永久磁石はＭＲ 層の活動領域より高くする必要はないが、スパイクが永久磁石とＭＲ層の活動領 域との間に間隙を作らせない。境界から出てくる磁束が活動領域１８内に結合さ れて領域１８に強力なバイアスを掛ける。 交換結合は永久磁石１４ａ，１４ｂと下層領域２６ａ，２６ｂとの間に生じる 。本発明において、パーマロイ下層領域が永久磁石材料をその六方晶系軸平面(h exagonal axis in-plane)を以って成長させ、これによって永久磁石がＭＲ層の 活動領域に正確にバイアス掛けするものと信じられる。下層領域が無いと、永久 磁石材料の磁化ベクトルは基板の平面に直角に指向し、ＭＲ層の活動領域を安定 にするに必要な磁束を作ることができない。 パーマロイは狭いストリップに形成された場合自然にその長軸心に沿って磁化 する傾向をもっているから、下層領域内のパーマロイの結晶構造が永久磁石材料 の「平面内（in-plane）」磁気特性を強化し、これがＭＲ層の活動領域へ強力な バイアス掛けを戻すと理論付けされる。本発明のセンサは、既述のような好適な 材料と寸法で作られた場合、単一磁区を確実に保持することが知られている。 ここに好適な実施形態を参照にして本発明を記述してきたが、当該技術者には 、 本発明の精神と目的から逸脱せずにその形態および詳細において様々な変化形が 認められよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年６月１０日 【補正内容】 請求の範囲 １．磁気抵抗センサにおいて、 第１厚さを有する活動領域と、 その第１厚さより小さい第２厚さを有する第１不活動領域と、 を備える磁気抵抗層、および、 前記第１不活動領域上の第１永久磁石 を備える磁気抵抗センサ。 ２．前記第１永久磁石がコバルト白金から作られる、請求の範囲第１項の磁気 抵抗センサ。 ３．前記第１永久磁石が前記活動領域より高い抵抗を有し、そして該磁抵抗セ ンサがさらに 前記活動区域に電気結合される第１および第２電流コンタクト を備える、請求の範囲第１項の磁気抵抗センサ。 ４．前記磁気抵抗層がさらに 前記第２厚さを有する第２不活動領域、および、 該第２不活動領域上の第２永久磁石 を備える、請求の範囲第１項の磁気抵抗センサ。 ５．前記第１永久磁石が前記第１不活動領域に交換結合され、そして前記第１ 永久磁石が前記活動領域に強力バイアス掛けをする、請求の範囲第１項の磁気抵 抗センサ。 ６．磁気抵抗センサを製造する方法において、 基板層に第１厚さを有する磁気抵抗層を付着させること、 前記第１厚さを有する活動領域と、第１厚さより小さい第２厚さを有する第１ 不活動領域を画成するように前記磁気抵抗層の一部分を除去すること、 前記磁気抵抗層の第１不活動領域の上に永久磁石材料を付着させること、およ び、 前記永久磁石材料に電流コンタクトを形成する電流伝導性コンタクト材料を付 着させること の諸段階を備える方法。 ７．前記永久磁石材料がコバルト白金を含む、請求の範囲第６項の方法。 ８．前記永久磁石材料が前記磁気抵抗層より高い抵抗を有する。請求の範囲第 ６項の方法。 ９．前記磁気抵抗層の第１不活動領域の上に永久磁石材料を付着させる段階が 、前記磁気抵抗層の活動領域に隣接して永久磁石材料の領域を形成し、ここで前 記第１不活動領域と永久磁石材料との組合せ厚さが前記第１厚さと少なくとも同 じ大きさにされる、請求の範囲第６項の方法。 １０．磁気抵抗センサにおいて、 第１厚さより小さい第２厚さを有する少なくとも１つの不活動領域により囲わ れる前記第１厚さを有する活動領域を備える磁気抵抗層、および、 前記不活動領域に交換結合され、そして前記活動領域に強力バイアス掛けをし て単一磁区状態にする永久磁石 を備える磁気抵抗センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カルダロン，アーサー アメリカ合衆国 55305 ミネソタ州ミネ トンカ，シダーウッド リッジ 2514 (72)発明者 ボニィハード，ピーター アイ. アメリカ合衆国 95066 カリフォルニア 州スコッツ バレイ，フォックス コート 350 (72)発明者 ラムドラー，ジャムナ ピー. アメリカ合衆国 55443 ミネソタ州ブル ックリン パーク，ビクターズ クロッシ ング 9002 (72)発明者 フェルナンデズ − ド − カストロ, ジュアン ジェイ. アメリカ合衆国 55044 ミネソタ州レイ クビル，ジャスミン コート 17245 (72)発明者 ロングワース，ルロイ エル. アメリカ合衆国 55387 ミネソタ州ワコ ニア，エアポート ロード 8220

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁気抵抗センサにおいて、 第１厚さを有する活動領域と、 その第１厚さより小さい第２厚さを有する第１下層領域と を備える磁気抵抗層、および、 前記第１下層領域の上に形成される第１永久磁石、 を備える磁気抵抗センサ。 ２．前記第１永久磁石がコバルト白金から作られる、請求の範囲第１項の磁気 抵抗センサ。 ３．前記第１永久磁石が前記活動領域より高い抵抗を有し、そして該磁抵抗セ ンサがさらに 前記活動区域に電気結合される第１および第２電流コンタクト を備える、請求の範囲第１項の磁気抵抗センサ。 ４．前記磁気抵抗層がさらに 前記第２厚さを有する第２下層領域、および、 該第２下層領域の上に形成される第２永久磁石、 を備える、請求の範囲第１項の磁気抵抗センサ。 ５．前記第１永久磁石が前記第１下層領域に交換結合され、そして前記第１永 久磁石が前記活動領域に強力バイアス掛けをする、請求の範囲第１項の磁気抵抗 センサ。 ６．磁気抵抗センサを形成する方法において、 基板層に第１厚さを有する磁気抵抗層を付着させること、 該磁気抵抗層に第１フォトレジストで活動領域と第１下層領域を画成するパタ ーンを付けること、 該第１下層領域が前記第１厚さより小さい第２厚さを有するようになるまでそ の第１下層領域から前記磁気抵抗層の一部分を除去すること、 前記磁気抵抗層の第１下層領域の上に永久磁石材料を付着させること、 前記磁気抵抗層と永久磁石材料に第２フォトレジストで電流コンタクトを画成 するパターンを付けること、 電気伝導性コンタクト材料を付着させること、および、 前記第２フォトレジスト層を除去すること の諸段階を備える方法。 ７．前記永久磁石材料がコバルト白金で構成される、請求の範囲第６項の方法 。 ８．前記永久磁石材料が前記磁気抵抗層より高い抵抗を有する、請求の範囲第 ６項の方法。 ９．前記磁気抵抗層の第１下層領域の上に永久磁石材料を付着させる段階が前 記磁気抵抗層の活動領域の上に永久磁石材料を付着させることも含み、そして前 記方法がさらに 前記第１フォトレジスト層を除去し、これによってその第１フォトレジスト層 に支持された前記永久磁石材料を破断し除去する段階 を備える、請求の範囲第６項の方法。 １０．磁気抵抗センサにおいて、 第１厚さより小さい第２厚さを有する少なくとも１つの不活動領域により囲わ れる前記第１厚さを有する活動領域を備える磁気抵抗層、および、 前記不活動領域に交換結合され、そして前記活動領域に強力バイアス掛けをし て単一磁区状態にする永久磁石 を備える磁気抵抗センサ。