具有採用多種材料的螺旋線圈結構的磁寫入頭的製作方法

2024-01-29 17:11:15

專利名稱：具有採用多種材料的螺旋線圈結構的磁寫入頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及垂直磁記錄，更具體而言，涉及具有螺旋線圈設計的寫入頭 的製造方法，所述設計採用了多種材料來提高可製造性。
背景技術：
計算機的長期存儲器的核心是被稱為磁碟驅動器的組件。磁碟驅動器包 括旋轉磁碟、通過臨近旋轉磁碟的表面的懸臂懸置的寫入頭和讀出頭以及使 懸臂發生擺動從而將讀出頭和寫入頭放置到旋轉盤上的選定圓形磁軌上的致動器。讀出頭和寫入頭直接位於具有氣墊面(ABS)的滑塊上。懸臂使滑 塊朝向盤的表面偏置，在盤旋轉時，臨近盤的空氣連同盤的表面一起運動。 所述滑塊依附於這一運動空氣構成的墊在盤的表面上飛行。當滑塊依附在氣 墊上時，採用寫入頭和讀出頭向旋轉盤寫入,茲轉變(transition)以及從旋轉盤 讀出磁轉變。將讀出頭和寫入頭連接到根據電腦程式工作的處理電路，以 實現寫入和讀取功能。寫入頭通常包括嵌入在第一、第二和第三絕緣層(絕緣疊層)內的線圈 層，所述絕緣疊層夾在所述第一和第二極片(pole piece )層之間。通過處於 寫入頭的氣墊面(ABS)處的間隙層在第一和第二極片層之間形成間隙，並 在後間隙(back gap)處連接所述極片層。傳導至線圈層的電流在極片內引 發磁通量，其使得磁場在ABS處的寫間隙處彌散出來，其目的在於在運動 介質上的磁軌中例如前述旋轉盤上的圓形磁軌中寫入上述磁轉變。在近來的讀出頭設計中，採用又被稱為巨磁致電阻(GMR)傳感器的自 旋閥傳感器從旋轉磁碟檢測磁場。所述傳感器包括夾在被稱為被釘扎 (pinned )層和自由層的第一和第二鐵磁層之間的被稱為間隔層的非磁導層。 將第一和第二引線連接至自旋閥傳感器，從而通過其傳導檢測電流。垂直於 氣墊面(ABS)釘扎所述被釘扎層的磁化，並且自由層的磁矩平行於ABS， 但是能夠響應於外部磁場而自由旋轉。通常通過與反鐵磁層的交換耦合釘扎 被釘扎層的磁化。將間隔層的厚度選擇為小於通過傳感器的傳導電子的平均自由程。憑藉 這一設置，能夠通過間隔層與被釘扎層和自由層中的每者之間的界面散射一 部分傳導電子。在被釘扎層和自由層的磁化相對於彼此平行時，散射最小， 在被釘扎層和自由層的磁化反平行時，散射最大。散射的變化能夠使自旋閥傳感器的電阻與cose成比例變化，其中，e是被釘扎層和自由層的磁化之間的夾角。在讀取模式中，自旋閥傳感器的電阻與來自旋轉盤的磁場的幅度 成比例變化。在通過自旋閥傳感器傳導檢測電流時，電阻變化將引起電勢變 化，將所述電勢變化進行探測和處理作為回放信號。為了滿足日益增強的對提高的數據率和數據容量的需求，研發人員近來 將其工作重點放在了垂直記錄系統的開發上。常規縱向記錄系統，例如，結合了上述寫入頭的縱向記錄系統沿磁碟表面的平面內的磁軌將數據存儲為 具有縱向取向的磁位。這種縱向數據位是通過形成於由寫間隙分隔的一對磁 極之間的彌散場記錄的。相反，垂直記錄系統則將數據記錄為垂直於磁碟的平面取向的磁化。磁 盤具有通過薄的硬磁頂層覆蓋的軟磁襯層襯層。垂直寫入頭具有帶有非常小 的截面的寫入極和帶有大得多的截面的返回極。高度集中的強磁場沿垂直於 磁碟表面的方向從寫入極發射，從而使;更磁頂層》茲化。之後，所形成的磁通 通過軟襯層行進，返回至返回極，在該處，所述磁通充分展開並變弱，因而 在其返回至返回極的過程中往回穿過硬萬茲頂層時，不會擦除通過寫入極記錄 的信號。為了進一步提高這樣的磁頭的寫入場，可以為所述頭配置螺旋寫入線圈 (與更為普通的扁平線圈相對)。可以將這樣的螺旋線圈配置為具有通過所 述寫入極之上和之下的線壓。但是，難以構造這樣的螺旋線圈，因為它們是沿垂直於澱積層的平面的尺度(dimension)形成的。換言之，如果將構成寫 入頭的澱積層的平面看作是水平面，那麼就要在垂直以及水平的尺度內構造 所述寫入線圈。這一固有的製造困難導致了製造複雜性和成本的極大提高。因此，需要 一種寫入頭結構，其允許使用螺旋寫入線圈，同時能夠使製造複雜性降至最發明內容本發明提供了 一種具有螺旋寫入線圈的寫入頭結構，能夠以最低的製造 複雜性和最少的製造步驟有效地製造所述螺旋寫入線圈。所述寫入頭包括寫入極和螺旋寫入線圈，所述螺旋寫入線圈具有經過所述寫入極的上面的上部線圈部分和經過所述寫入極的下面的下部線圈部分。所述上部和下部線圏部分通過連接柱(connection stud)相互電連接。儘管所述上部和下部線圏部分由 諸如Cu的非磁性導電材料構成，但是所述連接柱由諸如NiFe的磁性導電材 料構成。通過採用磁性材料構建連接柱，能夠在與用來製造寫入頭的各種磁結 構，例如磁成形層和/或後間隙的製造步驟相同的製造步驟中有利地構建所述 連接柱。這種做法通過刪減了很多額外的製造步驟極大地簡化了寫入頭的制 造，否則將需要所述額外製造步驟來製造具有非磁連接柱的螺旋線圈。在結合附圖閱讀了下述對優選實施例的詳細說明之後，本發明的這些以 及其他特徵和優點將變得顯而易見，在附圖中始終採用類似的附圖標記表示 類似的元件。


為了更充分地理解本發明的本質和優點，以及優選使用模式，可以接合 附圖閱讀下述詳細說明，以供參考，所述附圖並非按比例繪製。 圖1是其中可以實施本發明的盤驅動系統的示意圖； 圖2是沿圖1的2-2線得到的滑塊的ABS視圖，示出了磁頭在其上的位置；圖3是沿圖2的3-3線截取並逆時針旋轉了 90度的根據本發明的實施例的^f茲頭的截面圖；圖4是沿圖3的4-4線得到的寫入頭的ABS視圖；圖5是沿圖3的5-5線得到的寫入頭的頂視圖；以及圖6是線圏連接結構和寫入極二者的側視截面圖，將兩圖並排布置的目的在於說明所述結構的層之間的關係。
具體實施方式
下述說明給出了當前構思的實施本發明的最佳實施例。給出這一說明的 目的在於對本發明的一般原理進行舉例說明，而不是為了將所要求保護的發 明概念限定於此。.參考圖1,示出了實施本發明的磁碟驅動器100。如圖1所示，至少一個可旋轉磁碟112支持在主軸114上並通過磁碟驅動馬達118旋轉。每一磁 盤上的磁記錄具有磁碟112上的同心數據道(未示出)的環形圖案的形式。至少一個滑塊113處於磁碟112的附近，每一滑塊113支持一個或多個 趕玄頭組件221。隨著磁碟旋轉，滑塊113在,茲盤表面122上沿徑向內外移動， 從而使磁頭組件121能夠訪問寫入預期數據的^f茲盤的不同》茲道。每一滑塊 113通過懸臂115連接至致動器臂119。懸臂115提供輕微的彈力，從而使 滑塊113抵靠著磁碟表面122偏置。每一致動器臂119連接至致動器機構127。 圖1所示的致動器機構127可以是音圈馬達(VCM)。 VCM包括可以在固 定磁場內移動的線圈，線圈移動的方向和速度通過由控制器129提供的馬達 電流信號控制。在磁碟存儲系統的運轉過程中，磁碟112的旋轉在滑塊113和磁碟表面 122之間生出了氣墊，其對滑塊施加向上力或提升作用。因而氣墊平衡了懸 臂115的輕微的彈力，並支撐滑塊113在正常運轉過程中離開磁碟表面並以 一小的基本恆定的間隔略微處於磁碟表面上方。在運轉過程中，通過控制單元129生成的控制信號，例如存取控制信號 和內部時鐘信號，控制磁碟存儲系統的各個部件。典型地，控制單元129包 括邏輯控制電路、存儲機構和微處理器。控制單元129生成控制信號，以控 制各種系統操作，例如線123上的驅動馬達控制信號以及線128上的頭定位 和選道控制信號。線128上的控制信號提供所需的電流分布，從而最佳地移 動滑塊113，並將其定位至磁碟112上的預期數據道。利用記錄信道125實 現往返於寫入頭和讀出頭121的寫入信號及讀取信號的傳輸。參考圖2能夠更為詳細地看到滑塊113中的磁頭121的取向。圖2是滑 塊113的ABS視圖，可以看到，包括感應寫入頭和讀傳感器的磁頭位於滑 塊的尾緣上。對典型磁碟存儲系統的上述說明和所附的圖1中的圖示僅做說 明用途。顯然，磁碟存儲系統可以含有大量磁碟和致動器，每一致動器可以現在參考圖3，可以通過,茲頭302實施本發明。寫入頭302包括^茲寫入 極304以及第一或底部,茲返回極306。可以將寫入極304構建到^茲成形層308 上。通過第一磁後間隙結構310將底部返回極306與成形層308以及寫入極 304》茲連接。寫入極304和第一返回極延伸至氣墊面(ABS)。石茲基座312 可以在ABS處從第一返回極306的尾緣延伸。這一基座能夠起到防止雜散 場無意中抵達;茲介質(未示出)的作用。可以由諸如NiFe或CoFe的材料構 建第一返回極306、第一後間隙310、成形層308和基座312。寫入極304 可以由諸如CoFe的高磁矩磁性材料構成，並且優選具有包括通過非磁材料 薄層分隔的CoFe層的層疊結構。仍然參考圖3，寫入頭302包括圖3的截面圖中所示的第一和第二線圈 部分314和316，其可以由諸如Cu的導電材料構成。所述第一和第二線圈 部分314和316是共同的螺旋線圈317的上部和下部。第一或者下部線圈部 分314位於由諸如氧化鋁的非磁性電絕緣材料構成的層313的頂上，並且嵌 入到絕緣層318內，層318可以包括位於線圈的匝內和周圍的硬烘焙(hard baked )光致抗蝕劑層315，並且也可以包括位於線圈上面和前面的氧化鋁填 充層319。如圖3所示，第二或上部線圏部分316嵌入到可以是硬烘焙光致 抗蝕劑或某種其他材料的上部線圏絕緣層320內。寫入頭302可以包括其他 非磁性電絕緣填充層，例如，位於成形層308和ABS之間的氧化鋁(A1203 ) 填充層322,以及位於寫入極304和成形層308的上面的諸如氧化鋁的平面 化填充層324。參考圖3和圖4，寫入頭302可以包括尾磁屏蔽件326，可以通過尾間 隙328將其與寫入極304的尾緣隔開。尾屏蔽件326可以由諸如NiFe或CoFe 的磁性材料構成，尾間隙可以由諸如氧化鋁(A1203 )、 Rh等的非磁材料構成。 可以將所述尾屏蔽件形成為包圍所述寫入極304，其中，通過非磁側間隙層 402和404將尾屏蔽件的側面屏蔽部分與寫入極304隔開。或者，可以將尾 屏蔽件構造為純粹的尾屏蔽件，即，該尾屏蔽件不具有這些圍繞寫入極304 的側面部分。如作為頭302的ABS視圖的圖4所示，可以採用錐形或梯形構造寫入 極304，其有利於防止在向盤的內側部分或外側部分寫入時，頭302因頭偏 斜而無意中寫入到相鄰^茲道中。再次參考圖3,還可以提供第二或上部返回極330，並且可以將其構造為與尾屏蔽件326接觸，並且如圖3所示，第二返回極330可以使尾屏蔽件 326與第二後間隙部分332石茲連接。因此，可以看到，尾屏蔽件326、寫入 極304和返回極306全部能夠在從ABS移開的區域內相互磁連接。可以在 上部返回極330的頂上提供由(例如)氧化鋁構成的保護層334,以保護寫 入極302的元件不受腐蝕或其他損害。各種磁結構第一返回極306、第一 後間隙層310、成形層308、寫入極304、第二後間隙332、第二返回極330 基座312和尾屏蔽件326 —起形成^茲輒結構335。如上所述，上部和下部線圈部分314和316是共同的螺旋寫入線圈317 的部分。參考圖6，可以在頂視圖中看到線圈317的下部314。如上文參考 圖3所示，下部314經過成形層308、寫入才及304和上部返回才及330的下面。 因此，如示出了下部314經過了這些磁結構的下面的圖5所示，通過虛線示 出下部314，以表明其在頂視圖中隱藏在這些結構的後面。儘管線圈317的 下部314經過這些不同的結構308、 304、 330的下面，但是，圖5中僅示出 了上部返回極330，因為其他的結構隱藏在了上部返回極330的下面。可以 看出，下部線圈部分314超過寫入頭302的軛335顯著橫向延伸。上部線圏 部分316也超過軛335顯著橫向延伸，但是，為了清晰起見，在圖6中未示 出上部線圈部分316。繼續參考圖5，線圏317還包括與下部線圈部分314的末端連接的連接 柱結構502。這些連接柱由導電材料構成，起著將下部線圈部分314與上部 線圈部分316電連接以完成螺旋線圈結構317的作用。圖3示出了上部線圈 部分316,但是圖5中未示出，其目的在於更為清晰地示出連接柱502和位 於下面的下部線圈部分314。圖6示出了主寫入頭部分601與線圈317的外端部分之間的關係，主寫 入頭部分與上文參考圖3描述的結構類似。在圖6中，將線圈317的外側部 分與主寫入頭部分601的截面並排示出，以說明每一結構的層之間的有利關 系，但是，應當理解，它們並非按比例繪製，並且實際上的相對於彼此的取 向未必如圖6所示。參考圖5的頂視圖，能夠更加清楚地理解外側線圈部分 相對於主寫入頭部分601的實際布局。繼續參考圖6，可以看出，下部線圈部分位於下面的絕緣層603上。如 上所述，下部線圈部分314由諸如Cu的非磁性導電材料構成。類似地，上部線圈部分316由諸如Cu的非磁性導電材料構成。另一方面，連接柱結構502部分或全部由諸如NiFe的磁性導電材料構成。由於連接柱部分的位置遠 離寫入頭302的磁極部分，因而採用磁性材料形成所述柱部分不會對寫入頭 的性能造成不利影響。但是，採用磁性材料而不是諸如Cu的非磁材料形成 柱部分5 02提供了顯著的製造優勢，在下文中將對其予以更加詳細的說明。從圖6可以看出，柱部分502由與寫入頭的其他;茲層對應的層構成，這 意味著它們彼此由相同的材料構成，並且基本形成於同一構造高度(build elevation)上。這允許在與形成寫入頭的其餘部分時所採用的相同的光刻和 澱積步驟中形成這些層。例如，如圖6所示，柱結構502的層308b對應主 寫入頭部分601的成形層308a。類似地，連接柱502的層332b對應主寫入 頭部分601的上部後間隙層332a。連4妻柱502和主寫入4及部分601的層之間 的關係用於舉例說明。連接柱也可以具有對應於主寫入極部分601的其他箱* 結構的層。連接柱502的層308a、 308b可以由(例如)NiFe合金構成，例 如，所述NiFe合金可以是具有大約20、 55或78原子百分數的Fe的合金。 換言之，Fe含量可以變化，其可以是任何百分比，例如，15-25原子百分數、 50-60原子百分數或70-85原子百分數。但是，構成連接柱502的材料不限 於NiFe或具有這些成分的NiFe合金。底部線圈部分314的側面可以由諸如硬烘焙的光致抗蝕劑層315的絕緣 層包圍，其使下部線圈部分314在主寫入極部分601內絕緣。可以在層3 08b 、 332b的側面提供另外的絕緣層602和604，從而使連接柱絕緣，這些絕緣層 602、 604可以由諸如氧化鋁的非磁性電絕緣材料構成。類似地，可以採用用 來使上部線圏部分316絕緣的硬烘焙的光致抗蝕劑絕緣層320使上部線圈部 分316絕緣並對其加以保護。上文參考圖6描述的寫入頭設計極大促進了寫入頭內的螺旋線圏的制 造。這是因為，通過使連接柱502由與主寫入頭部分601的結構(例如，308a、 332a)相同的磁性材料構成，能夠在用於製造寫入頭的相同的步驟中形成連 接柱。因此，可以在無需額外的耗費成本的光刻、離子銑削、蝕刻和/或澱積 步驟的情況下形成連接柱502，而這些步驟是在連接柱502由Cu構成時所 需的。如果連接柱502由(例如)Cu構成，那麼必須在絕》彖層602、 604內 形成通孔，並且必須執行分離的掩模設置和澱積步驟來構建Cu柱。由不同 的材料(例如，上文所述的)構建線圏減少了必須執行的製造操作的數量，並且降低了周期時間。事實上，本發明能夠刪減大約30項製造操作，並且能夠使周期時間縮短22小時左右。儘管已經描述了各種實施例，但是應當理解，這些實施例都是通過舉例 的方式給出的，其目的並非在於提供限制。對於本領域技術人員而言，落在 本發明的範圍內的其他實施例也可能變得顯而易見。因此，本發明的範圍和 外延不應受到任何上述示範性實施例的限制，而是應當僅根據權利要求及其 等同要件界定。
權利要求
1.一種用於垂直磁記錄的磁寫入頭，包括具有前緣、尾緣以及第一和第二橫向相對側面的磁寫入極，所述寫入極延伸至氣墊面；以及導電寫入線圈，其進一步包括形成於所述寫入極之下的由非磁性導電材料構成的下部線圈部分，所述下部線圈部分與所述寫入極隔開，並且橫向延伸超過所述寫入極的所述第一和第二橫向相對側面；形成於所述寫入極之上的由非磁性導電材料構成的上部線圈部分，所述上部線圈部分與所述寫入極隔開，並且橫向延伸超過所述寫入極的所述第一和第二橫向相對側面；以及連接柱，在橫向超過所述寫入極的所述第一和第二側面之一的區域內與所述上部和下部線圈部分連接，所述連接柱包括磁性導電材料。
2. 根據權利要求1所述的磁寫入頭，其中，所述連接柱包括NiFe。
3. —種磁寫入頭，包括由磁性材料構成的並且包括延伸至氣墊面的磁寫入極的磁軛結構；以及 螺旋寫入線圏，其包括圈部分，所述下部線圈部分包括非磁性導電材料；經過所述寫入極的上面並且橫向延伸超過所述》茲軛結構的上部線 圏部分，所述上部線圏部分包括非磁性導電材料；以及連接柱，在橫向超過所述磁輒結構的區域內與所述下部線圏部分和 上部線圈部分連接，所述連接柱包括^U生導電材料。
4. 根據權利要求3所述的磁頭，其中，所述連接柱和所述磁軛結構的 至少一部分由相同的材料構成。
5. 根據權利要求3所述的磁頭，其中，所述磁軛結構的至少一部分和 所述連接柱的至少 一部分包括NiFe。
6. 根據權利要求3所述的磁寫入頭，其中，所述磁軛結構包括由磁性 材料構成的磁後間隙結構，並且其中，所述連接柱的至少一部分由與所述後 間隙結構相同的磁性材料構成。
7. 根據權利要求6所述的磁頭，其中，所述後間隙結構的至少一部分 和所述連接柱包括NiFe。
8. 根據權利要求6所述的磁頭，其中，所述後間隙結構的至少一部分 和所述連接柱的 一部分在共同的製造步驟中形成。
9. 根據權利要求3所述的磁寫入頭，其中，所述磁軛結構包括與所述 寫入極磁連接並且由磁性材料構成的磁成形層結構，並且其中，所述連接柱 的至少一部分由與所述成形層結構相同的磁性材料構成。
10. 根據權利要求9所述的磁寫入頭，其中，所述成形層結構和所述連 接柱結構的至少 一部分包括NiFe。
11. 根據權利要求9所述的磁寫入頭，其中，所述成形層結構和所述連 接柱結構的至少一部分在共同的製造步驟中構建。
12. 根據權利要求3所述的磁寫入頭，其中，所述上部線圈部分和所述 下部線圈部分由Cu構成，並且其中，所述連接柱的至少一部分包括NiFe。
13. —種用於垂直磁記錄的磁寫入頭，包括由磁性材料構成的第一磁返回極，其具有設置在氣墊面處的末端和與所 述氣墊面反向的末端；與所述第 一磁返回極》茲連接的第 一磁後間隙層；形成於所述第一後間隙層之上並與其磁連接的磁成形層，所述磁成形層 朝向所述氣墊面延伸但未延伸至所述氣墊面；形成於所述磁成形層之上並與其磁連接的磁寫入極，其延伸至所述氣墊面；形成於所述成形層之上並且在從所述氣墊面移開的區域內與所述成形 層磁連接的第二磁後間隙層；形成於所述第二後間隙層之上並與其磁連接的第二磁返回極，其中，所 述第一磁返回極、第一磁後間隙層、磁成形層、磁寫入極、第二磁後間隙層 和第二返回極一起形成了磁輒；包括非磁性導電材料的下部線圈部分，其經過所述^f茲成形層和所述第一 返回極之間，並且橫向延伸超過所述磁輒；包括非磁性導電材料的上部線圈部分，其經過所述磁成形層和所述第二 返回極之間，並且一黃向延伸超過所述^茲扼；以及包括磁性導電材料的連接柱，其在所述磁軛之外的區域內形成於所述上 部和下部線圈部分之間，並使所述上部和下部線圈部分相互電連接；其中所述下部線圈部分、上部線圈部分和連接柱一起形成了圍繞所述磁成形 層的螺旋線圈。
14. 根據權利要求13所述的磁寫入頭，其中，所述磁連接柱包括NiFe。
15. 根據權利要求13所述的磁寫入頭，其中，所述第一磁後間隙層、 磁成形層、第二,茲後間隙層和連接柱均包括NiFe,並且其中，所述上部和下 部線圈部分包括Cu。
16. 根據權利要求13所述的磁寫入頭，其中，所述連接柱包括與所述 磁成形層對應的磁層，所述磁層和所述磁成形層在所述寫入頭內形成於共同 的構造高度。
17. 根據權利要求13所述的磁寫入頭，其中，所述連接柱包括與所述 第二磁後間隙層對應的磁層，所述磁層和所述第二磁後間隙層由相同的材料 形成，並且在所述寫入頭內形成於共同的構造高度。
18. 根據權利要求13所述的磁寫入頭，其中，所述連接柱包括與所述 磁成形層由相同的材料形成並且形成於相同的構造高度的第一磁層，並且其 中，所述連接柱還包括與所述第二後間隙層由相同的材料形成並且形成於相 同的構造高度的第二磁層。
19. 根據權利要求13所述的磁頭，其中，所述上部和下部線圏部分包 括Cu，所述連接柱和所述成形層包括NiFe，所述連接柱中的Fe的原子百分 率與所述成形層中的Fe的原子百分率相同。
20. 根據權利要求13所述的磁頭，其中，所述上部和下部線圈部分包 括Cu，所述連接柱和所述第二後間隙層包括NiFe，所述連接柱中的Fe的原 子百分率與所述第二後間隙層中的Fe的原子百分率相同。
全文摘要
本發明提供一種用於垂直磁記錄的磁寫入頭，具有能夠降低製造複雜性並提高製造的周期的螺旋線圈設計。所述寫入頭包括寫入極和螺旋寫入線圈，螺旋寫入線圈具有經過寫入極的上面的上部線圈部分和經過寫入極的下面的下部線圈部分。上部和下部線圈部分通過連接柱相互連接。儘管上部和下部線圈部分由諸如Cu的非磁性導電材料構成，但是連接柱由諸如NiFe的磁性導電材料構成。通過採用磁性材料構建連接柱，能夠在與用來製造寫入頭的各種磁結構，例如磁成形層和/或後間隙的製造步驟相同的製造步驟中構建所述連接柱。這通過刪減了很多額外的製造步驟極大地簡化了寫入頭的製造，否則將需要這些製造步驟來製造具有非磁連接柱的螺旋線圈。
文檔編號G11B5/127GK101241703SQ20081000545
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月4日 優先權日2007年2月7日
發明者李顯邦, 珍妮弗·A·M·盧, 蕭文千 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司