JPS6022408B2 - 薄膜磁気ヘツド及びその製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、薄膜磁気ヘッドにおいて、磁性薄膜の磁気異
方性を得る事およびその磁気異方性の方向を制御する事
を目的としている。

従来からの技術では、磁気異方性を得るために磁場中で
薄膜を形成し、誘導磁気異方性によって磁気異方性の方
向を制御していた。

しかし、磁気異方性は、結晶異方性、歪みによる影響及
び外部磁界による影響等があり、薄膜磁気ヘッドを作成
する場合、基板上に被着された磁性薄膜は熱サイクルを
受けたりエッチングされてパターン化されるために、薄
膜被着時に得ていた磁気異方性が保たれず磁気ヘッドと
して動作する事が困難であった。例えば、第１図に示し
た例では外部磁場日を印放しながらガラス基板上の領域
Ｃにパ−マロイ（Ｎｉ、Ｆｅ等の合金）を蒸着した場合
の滋区機造を示した。但し製膜後、ＡＣ磁界によって消
磁を行なった。この場合にはパーマロィ膜の磁気異方性
はｌｓの如く印加磁場の方向とほぼ一致しており磁気異
万性の主因は誘導磁気異方性によるものと考えられる。
しかしこの膜をエッチングして、第２図に示したような
パタ・−ンにし、ＡＣ磁界によって消磁すると、パーマ
ロィ膿の磁壁は、印加磁場の方向とは関連なくなり第１
図に示された誘導磁気異方性はくずれて１′ｓの方向に
安定点が移動する。これはパーマロィの製膜時に受けた
熱履歴によるものと考えられる。すなわち、加熱された
基板上に彼着されたパーマロィ膜とガラス基板との熱膨
張係数のわずかな差異によって、パーマロィ膜とガラス
基板を室温にまで徐冷する間にパーマロィ膜中に歪みを
生じる。この時点では、パーマロィ膜中に蓄えられた歪
みは等方的であり、第１図に示したように磁気異方性は
誘導磁気異方性の方向に向いている。しかし、第２図の
ように、パーマロィ膜をエッチングされたパーマロィ穣
中に蓄えられていた内部応力は取り除かれ、残されたパ
ーマロィ膜中の内部応力の平衡が破れて新しい平衝状態
に移るために磁化の方向がｒｓの方向に変わる。今磁気
抵抗効果素子（以下、Ｍ旧素子と称す）を用いたヘッド
（以下ＭＲヘッドと称す）においては、磁気異万性の方
向を記録媒体からの磁界の方向に対して４５ｏになるよ
うにして動作させている。

ＭＲ素子の磁電変換効果を第３図に示した。Ｍ凪素子は
外部磁界日の変化に対して抵抗が変化する素子で電流方
向を外部信号磁界ＨＳに対して垂直になるようにすると
第３図に示すように磁化の回転によって抵抗値が変化す
る。縦軸は素子の抵抗のこ対する抵抗変化分△ｏの比で
表示してある。今「磁気異方性の方向が鰭流向に対して
４５ｏを向いている場合（Ｂ点に相当する）、信号磁界
日，に対する出力電圧Ｖ，は抵抗変化の最大値から最小
値まで利用する事ができ、波形歪みの少ない信号が取り
出せる。これが第１図の場合の誘導磁気異万性がエッチ
ング後のパターンにおいても保持された時得られる出力
波である。しかし、磁気異万性はエッチングする事によ
り変化し１′Ｓの方向を向く。これは第３図ではＡ点に
相当する。このように磁気異方性がバイアスされている
時には外部信号磁界母に対する出力波形はＶ２のように
なり波形歪みは大きく倍周波の歪みが大きくなる。この
ように従来の誘導磁気異方性だけで磁気異方性の方向の
制御は困難であり、エッチングしパターン化した実際の
ヘッドでは実用にならなかつた。本発明においては、以
上のような従来からの磁気異方性が磁性薄膜を蝕刻した
後に保てないという欠点を、磁歪定数が正又は負である
磁性体層、導鷺体層、絶縁体層等からなる薄膜磁気ヘッ
ドにおいて、該薄膜磁気ヘッドを形成する基板の熱膨張
係数を基板の表面内の２方向について異ならせ、前記磁
性体層の磁気異方性を制御可能とする事により解決し、
電磁変換特性の良好な薄膜磁気ヘッドを提供するもので
ある。

第４図に本発明による一実施例を示した。

熱膨張係数に異方性のある結晶を基板１に選びその上に
磁性体層を蒸着、スパッタリングや亀着等の方法で被着
し、エッチング等によりパターン化し、Ｍ旧素子２およ
び電極４と共通電極３を形成する。前記熱膨張係数に異
方性のある結晶としては、例えば水晶（Ｓｊ０２）、ル
チル（Ｔｉ０２）、山２０３等があり、結晶軸方向およ
びその直角方向ではその線膨張係数が異なる。第１表に
その様な熱膨張係数Ｑの異方性のある物質とその特性を
示した。尚、第１表中ＱＩＩＣは結晶軸方向の線膨張係
数、Ｑ↓Ｃは結晶鞠に対して直角方向の糠膨張係数を示
す。第１表 今、ＭＲ素子２を例えばパーマロィとすると、第５図に
示す如く、その滋歪定数は組成が８０％Ｎｉ付近で変化
し、８０％ＮｉよりＮｉ含有率が小さい部分ではプラス
、８０％Ｎｉより大きい部分ではマイナスになっている
。

このことは、次の事を示している。すなわち、磁歪定数
が正の組成では張力の方向と同方向に磁化の向きの安定
点が存在し張力をかけると磁化は張力の方向に向く。逆
に磁歪定数が負の組成では張力の方向に対して垂直であ
る方向に磁化の向きの安定点が存在し張力をかけると磁
化は張力の方向に対して垂直な方向に向く。今、ＭＲ素
子の材料をパーマロイとし、その磁歪定数が正であり、
基板に水晶を用いたとして説明する。

パーマｏィの熱膨張係数は約１２ｘｌｏ‐６／ｄｅｇで
あり、水晶の熱膨張係数は第１表に示すように結晶軸に
平行な方向に対して７．０×１０‐６／ｄｅｇ、結晶軸
に対して垂直な方向に対しては１２．６×１０‐８／ｄ
ｅｇである。すなわち水晶の結晶軸（以下Ｃ軸という）
を面内に持つ平面をパーマロイを彼着する基板平面とす
ると、熱膨張係数の異万性を最大限利用する事ができる
。熱膨張係数の異方性を制御するために水晶のＣ軸を基
板平面と交叉するように配置する事もできる。ここでは
基板平面内にＣ軸があるとし、Ｃ鞠方向をＱ，とすると
Ｑ，方向の熱膨張係数は７．０×１０‐６／ｄｅｇ、Ｑ
２ 方向の熱膨張係数は１２．９×１０‐６／ｄｅｇで
あり、Ｑ２方向の熱膨張係数はパーマｏィとほぼ等しい
。次に被着された磁性体層の熱履歴について説明する。
蒸着やスパッタ等の場合については製膜時に基板を加熱
するのでＱ，方向の熱風酸張はＱ２ 方向の熱膨張と比
較して小さい。この状態にパーマｏィ膜を被着するとパ
ーマロィも熱膨張した状態にあり、基板と熱膨張した状
態で固着する。基板上にパーマロィ膜が被着されると、
今度は室温に徐冷される。基板加熱温度と室温との間に
は約３０びの温度格差があり、形成されたパーマロィ膜
と基板との熱膨張係数が異なっていると、バィメタルの
ように各々の膜は相互に影響し内部応力を蓄える。パー
マロィ膜の熱膨張係数は等万的であるので、ｏ，の方向
の水晶基板の熱膨張係数との間に約５×１０‐Ｂ／ｄｅ
ｇの格差が生じ、パーマロィ膜中には張力が、水晶基板
中には圧縮力が内部応力として蓄えられる。よって、非
磁場中で加熱された基板上に被着されたパーマロィ膿は
冷却される事により、Ｑ，方向に張力を受けパーマロィ
の磁歪定数が正の場合には磁気異方性の向きはＱ，方向
に安定する。滋歪定数が負の場合には、磁気異方性の向
きはＱ２方向に安定する。しかし、非磁場中で加熱され
た基板に被着した時のパーマロィ膜中の磁気異方性の向
きは、全方向に均一に向いており、室温に冷却した時に
は磁化は磁歪によって安定方向に強制的に向けられてい
るので、磁気異方性の分散は温度の変化に敏感となる。
これは磁場中でパーマロィ膜の形成を行うと解消される
。すなわち歪みによる磁気異方性の安定方向に製腹時に
磁端を印加すると製膜時の磁気異方性が誘導磁気異方性
によって予め、向けられているので製膜後室温に冷却す
る事によって磁気異方性の分散が少なくなり、室温等の
ためによって生ずる温度変化には感じなくなる。製膜時
の外部磁場の印加方向は磁歪定数が正の場合には張力の
働く方向に平行であり、磁歪定数が負の場合には張力の
働く方向に垂直とするとよい。圧縮力が働く場合には、
上述の方向と９０ｏだけ回転させた方向に印加磁場と熱
風諺張係数の異方性の方向を選ぶとよい。メッキの場合
にはパーマロィ等の磁性体層を形成する時に大きな温度
変化は認められないが、実際の磁気ヘッドを構成する上
で、熱履歴を経験する。

第６図に磁気ヘッドを構成した場合の断面図を示した。
基板５の上にメッキされたパーマロィ等の磁性体薄膜６
を所定の形状にエッチングしその上にＳｉ０やＳｉＱ等
の物質で磁性体薄膜６を保護する保護膜７を蒸着やスパ
ッタリング等の方法で設け、磁性体基板８を接着層９で
固着する。この製造過程での熱履歴では、基板に被着さ
れたメッキ膜は室温から基板加熱温度を経た後、再び室
温に自然冷却される。室温から基板加熱温度に加熱され
る過程では、メッキ膜はＱ，方向の熱膨張係数が基板の
熱膨張係数よりも大きいので圧縮方向に加圧される。し
かし、基板は加熱されているのでＱ，方向の加圧は除々
に緩和される。このメッキ膜６の上に保護膜７が萩着さ
れて、再び室温まで冷却される。この冷却過程では前述
の過程と同じようにＱ，方向に張力が生じ「冷却後の膜
の磁気異方性は磁性体層を葵着やスパッタリング等の方
法により被着した場合と同様の方向に向く。また前述と
同様の理由により保護膜７の蒸着は磁場中で行い誘導磁
気異方性の方向と歪みによる磁気異万性の安定方向を一
致させると温度の変化の影響が少さくなる。熱腿鞍張係
数に異方性がある結晶は、前述の水晶（Ｓｉ０２）、ル
チル（Ｔｉ０２）、山２０３等の物質の他に第１表にあ
げたように段、グラファィトＣ、Ｃ船、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｓ
ｂ等の物質がある。

この中でも特に水晶、ルチル、ＡＩ２０３は酸化物で電
気的絶縁性がよくパーマロィ等の金属磁性体をＭ旧素子
に使用するので基板として用いる場合は上記の３物質が
特に使用しやすい。第４図の実施例では基板に用いる結
晶の熱膨張係数の異方性によって磁気異方性の方向を制
御したのであるが、この熱膨張係数の異方性はもっと積
極的な方法によって得る事ができる。

第７図に示した例では、基板１０１こイオンインプラン
テ−ション等の方法により不純物届１１を形成し、この
不純物層１ １と基板１０の熱膨張係数の相※により、
上記の熱風鞍張係数の異方性を得ている。すなわち、不
純物層１１の不純物濃度をパーセントの位まで高くする
と不純物層１１の熱膨張係数は不純物に影響され変化す
る。そして、この不純物層１１を第７図に示したように
線状に間隔をおいて基板上で繰り返し形成すると、不純
物層１１の方向の熱風彰張係数と不純物届１ １の方向
に対して垂直な方向の熱塊彰張係数は異なる。また、感
光性結晶化ガラス等においても、熱膨張係数の異方性が
得られる。この場合には、フオトマスク等により光を遮
断する部分と、光を透過する部分と交互に線状に繰り返
し、感光性結晶化ガラスの非晶質部分と結晶部分を形成
することにより第７図の場合と同様に異方性が得られる
。例えば、ＳｉＱ：８１％、Ｌｉ２０：１２．５％、Ｋ
２０：２．５％、ＡＩ２０３：４％、Ｃｅ０２：０．３
％、Ａｕ：０．０２７％（但し重量％）の組成のガラス
に紫外線をあてた後、徐冷温度から軟化温度までの間の
温度で熱してＬｉ２０・Ｓｉ０２の微結晶を作り、さら
にもう一度軟化温度以上で熱するとＬｉ２０・筏ｉＱ、
Ｐ−Ｓｐｏｄｕｍｅｎｅ、３石英等の少なくとも一種類
の微結晶が析出する。一般に結晶化ガラスの結晶化の前
後では熱膨張係数が異なりこの熱膨率の変化を利用する
と熱膨張係数の異方性を結晶化ガラスの感光、非感光領
域の組み合わせによって得る事ができる。以上の実施例
では、主に再生用ヘッドに用いれるＭＲ素子においての
磁気異方性の制御について記録再生用へッド‘こついて
の実施例について述べる。

パーマロィ等の強磁性薄膜においては、一般的に磁気異
方性をつけた場合、磁化困難軸方向の透磁率は磁気異方
性のない場合の透磁率と比較して大きくなる事は知られ
ている。

しかし、前記の従来例にも述べたように、誘導磁気異万
性だけによって磁気異万性を固定する事は困難であり、
第８図に示したような磁気ヘッドを構成し、透磁率の大
きな磁気ヘッドを得るには、積極的に磁気異方性を付け
る必要がある。第８図の構成で、熱膨張係数に異万性の
ある結晶を基板１２に選んだ場合について説明する。

先ず、構成は基板１２上に下部磁性体１３を設け、下部
磁性体１３に対向して上部磁性体１４を設ける。下部お
よび上部磁性体間のギャップ中に導電体層１５と絶縁体
層１６，１７を設け、導函体層１５に流す電流がパーマ
ロィ等の導鷺性強磁性体で形成された下部および上部性
体層に漏洩しないようにする。上部磁性体層１４の上に
保護被膜１８を設け、俊舷濯鱗する場合の保護基板２０
を接着層１９で固着する。記録時には導図体層１５に電
流を流し、導電体層１５のまわりに生ずる磁場は下部磁
性体１３と上部磁性体１４中を通過し、ギャップ部にお
いて記録媒体２１を磁場の強さに応じて磁化する。この
磁気ヘッドに用いられている磁性体層１３，１４の透磁
率が大きければ大きし、ほど、ヘッド効率が良好となる
。このような成および動作を持つ磁気ヘッドの基板に「
熱膨係数に異方性のある結晶を選んだ場合の一例として
、例えば結晶が水晶、磁性体層の磁歪定数が正の場合に
ついて説明する。今ｙ，方向を水晶の結晶軸であるＣ麹
とすると、ッ，方向の熱膨張係数は７．０ｘｌｏ−６／
ｄｅｇ、ｙ２ 方向の熱膨張係数は１２．×１０‐６／
ｄｅｇとなりｙ２方向の熱膨張係数はバーマｏィの熱膨
張係数にほぼ等しい。第４図の実施例の場合に説明した
と同様に熱履歴によって基板温度が室温になった場合パ
ーマロィ膜中ｙ，方向に張力が生じる、。磁歪定数が正
の場合は磁性異方性の向きはｙ，方向に安定する。また
ｙ，方向に平行な磁濠日中で製膜するとより安定な磁気
異方性を得る事ができる。以上のように基板に熱畑彰張
係数の異万性のある材料を選定する事により従釆制御す
る事が困難であった磁気異方性の方向を制御でき、Ｍ旧
ヘッドでは非直線性を改善して動作点を安定に与える事
ができ、一方記録用ヘッドでは透磁率の商いへッドを提
供する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は製膜後の磁区パターンの一例を示す図、第２図
はパターンエッチング後の磁区パターンの一例を示す図
、第３図はＭＲへッド‘こおける動作点の説明図、第４
図は本発明によるＭＲヘッドの一実施例を示す平面図、
第５図はパーマロィの組成による磁歪定数の変化を示す
グラフ「第６図はＭＲヘッドの断面図「第７図は基板に
熱膨張係数の異万性を与えられた基板の一実施例を示す
斜視図、第８図は本発明によるヘッドの一実施例を示し
、ａは保護基板および被膜を省略した側面図、ｂはａの
Ａ一Ａ断面図である。 １，５，１０，１２・・・基板、２，６・・・ＭＲ素子
（磁性体薄膜）、３・・・共通電極、４・・・電極、７
・・・保護膜、８・・・磁性体基板、９・・・接着層、
１１不純物層、１３・・・下部磁性体、１４・・・上部
磁性体、１５・・・導亀体層、１６，１７・・・絶縁体
層、１８・・・保護被膜、１９・・・接着層、２０・・
・保護基板、２１・・・記録媒体。 繁解 繁２図 繁３蟹 繁イ図 繁グ図 繁６図 翁ク図 綴り図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁歪定数が正又は負である磁性体層、導電体層、絶
   縁体層等からなる薄膜磁気ヘツドにおいて、該薄膜磁気
   ヘツドを形成する基板の熱膨張係数を基板の表面内の２
   方向について異ならせ、前記磁性体層の磁気異方性を制
   御可能としたことを特徴とする薄膜磁気ヘツド。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の薄膜磁気ヘツドにおい
   て、前記基板の熱膨張係数の異方性の方向を、記録媒体
   との接触面に対して傾けた事を特徴とする薄膜磁気ヘツ
   ド。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の薄膜磁気ヘツドにお
   いて、前記基板の熱膨張係数の異方性の方向を、記録媒
   体との接触面に対して４５°傾けた事を特徴とする薄膜
   磁気ヘツド。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の薄膜磁気ヘツドにおい
   て、前記熱膨張係数の異方性を有する基板として、結晶
   軸に対する方向によつて熱膨張係数の異なる結晶を用い
   る事を特徴とする薄膜磁気ヘツド。 ５ 特許請求の範囲第４項に記載の薄膜磁気ヘツドにお
   いて、結晶軸を基板面内に位置せしめた事を特徴とする
   薄膜磁気ヘツド。 ６ 特許請求の範囲第４項に記載の薄膜磁気ヘツドにお
   いて、前記熱膨張係数の異方性を有する結晶が、水晶（
   ＳｉＯ＿２）、ルチル（ＴｉＯ＿２）又はアルミナ（Ａ
   ｌ＿２Ｏ＿３）である事を特徴とする薄膜磁気ヘツド。 ７ 特許請求の範囲第４項に記載の薄膜磁気ヘツドにお
   いて、前記基板表面に、不純物層又は格子欠陥層を基板
   の表面内の２方向について不均等に形成し、熱膨張係数
   の異方性を有せしめた事を特徴とする薄膜磁気ヘツド。
   ８ 特許請求の範囲第１項記載の薄膜磁気ヘツドにおい
   て、前記基板を感光性結晶化ガラスにより構成し、該基
   板を部分的に感光させて熱膨張係数の異方性を有せしめ
   た事を特徴とする薄膜磁気へツド。９ 特許請求の範囲
   第１項に記載の薄膜磁気ヘツドにおいて、前記基板の熱
   膨張係数の異方性が、記録媒体との接触面に対して垂直
   又は平行である事を特徴とする薄膜磁気ヘツド。 １０ 少なくとも、磁性体層、導電体層および絶縁体層
   を基板に被着する工程、被着した各層を所定の形状に触
   刻する工程とを有する薄膜磁気ヘツド製造工程において
   、該基板に磁性体層を被着する時に加える外部磁場の向
   きを、該基板の熱膨張係数の異方方性の方向と平行な向
   きにする事を特徴とする薄膜磁気ヘツド製造方法。