軟磁性薄膜和磁記錄頭的製作方法
2023-04-28 03:56:56
專利名稱：軟磁性薄膜和磁記錄頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種軟磁性薄膜和使用該軟磁性薄膜的磁記錄頭。
背景技術：
在用於硬碟的磁記錄頭中，上部磁極具有3～4μm的厚度和梯狀部分，以便在前端產生足夠的磁通量。所以，採用具有高的沉積效率和優異的成膜選擇性的電鍍法來形成上部磁極。
為了提高記錄密度，要求記錄頭的磁極材料是具有高飽和磁通密度(Bs)的材料。
日本專利公開公報No.2002-280217(文獻1)公開了由FeCo合金形成的具有高Bs的電鍍膜的生產方法及其特性。
在日本專利公開公報No.2004-127479A(文獻2)中，使用由Ru形成的基底層，以提高FeCoNi合金的軟磁性能。
此外，在日本專利公開公報No.2005-86012(文獻3)中，控制bcc(211)和bcc(110)的強度比，以提高Bs＞2.3T(T特斯拉)的FeCo合金膜的軟磁性能。
文獻1中電鍍膜的Bs大於傳統電鍍膜的Bs，但是磁致伸縮大。所以，很難提高軟磁性能，而且矯頑力大。如果矯頑力大，則高頻響應惡化。這樣，矯頑力必須最小化。
在文獻2中，FeCoNi合金包括Ni，因此電鍍膜的Bs減小到小於2.3T。所以，需要Bs大於或者等於2.3T的軟磁性FeCo合金。
在文獻3中，Bs大於或者等於2.3T，但是需要NiFe材料作為基底層。此外，由於控制晶體取向的餘地較小，所以很難控制晶體取向。
發明內容
作出本發明以解決傳統技術的問題。
本發明的一個目的是提供一種軟磁性薄膜，其中可使用非磁性導電材料和磁性導電材料作為電鍍的基底層，該基底層可以適應批量生產的變化以及具有高Bs和優異的軟磁性能。
另一個目的是提供一種磁記錄頭，其中本發明的軟磁性薄膜被用作具有優良記錄特性的磁性材料。
為了實現所述目的，本發明具有以下結構。
即，本發明的軟磁性薄膜通過電解電鍍形成，其中該電鍍膜由組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)的FeCo形成，該FeCo膜具有bcc晶體結構，而且該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
在該軟磁性薄膜中，該電鍍膜形成在非磁性導電基底層上。
在另一個例子中，該電鍍膜形成在磁性導電基底層上，而且該基底層由包括選自Fe、Co和Ni的至少兩種元素的合金形成。
在該軟磁性薄膜中，該基底層的薄膜電阻可以小於或者等於5.3Ω/cm2。
在該軟磁性薄膜中，由Ta、Ti、Cr或者Nb形成的單個緊貼層可以形成在基底層下。
本發明的磁記錄頭包括下部磁極；形成在該下部磁極上的上部磁極；形成在該下部磁極和該上部磁極之間的絕緣層；形成在後端的後部間隙部分，該後部間隙部分與該下部磁極和該上部磁極接觸；形成在前端從而面向記錄介質表面的磁隙部分；多次卷繞在後部間隙部分上的線圈；和通過電解電鍍形成在該上部磁極中並靠近該磁隙部分的軟磁性薄膜，其中該軟磁性薄膜由組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)的FeCo形成，該FeCo膜具有bcc晶體結構，而且FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
在該磁記錄頭中，該磁隙部分是非磁性導電層，而且該軟磁性薄膜形成在該非磁性導電層上。
此外，一種用於垂直磁記錄的單磁極磁頭包括主磁極；旁軛；形成在該主磁極和該旁軛之間的絕緣層；形成在後端的後部間隙部分，該後部間隙部分與該主磁極和該旁軛接觸；形成在主磁極前端兩側並面向記錄介質表面的非磁性導電層；和形成在該旁軛前端並面向記錄介質表面的拖動式屏蔽件(trailing shield)，其中該主磁極和該拖動式屏蔽件中的至少一個是通過電解電鍍形成在該非磁性導電層上的軟磁性薄膜，該軟磁性薄膜由組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)的FeCo形成，該FeCo膜具有bcc晶體結構，而且該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
在本發明中，其飽和磁通密度(Bs)保持大於或者等於2.3T的FeCo電鍍膜的矯頑力可以減小到小於317 A/m。另一方面，可以是實現具有高磁導率例如μ≈700的軟磁性薄膜。通過使用該軟磁性薄膜作為磁極材料，可以較大地提高記錄頭的高頻響應，從而可以提高記錄特性。特別地，在將該軟磁性薄膜用於水平記錄頭時，通過與非磁性基底膜結合，可以簡化該記錄頭的製造工藝，等於濺射磁性材料的厚度的上部磁極的切割量可以減小，從而可以精確地形成磁芯。在將該軟磁性薄膜用於垂直記錄頭的主磁極時，該主磁極可以通過用於批量生產的電鍍法形成。通過電鍍來形成拖動式屏蔽件，其原因僅在於形狀和縱橫比。然而，在本發明的垂直記錄頭中，可以簡化製造工藝，而且可以降低產品的廢品率。此外，通過使用具有高Bs和高磁導率μ的材料，可以提高用於垂直磁記錄的單磁極磁頭的記錄解析度。
現在將通過實施例並參考附圖來說明本發明的實施方式，其中圖1是本發明實施方式的水平記錄頭的橫截面示意圖；圖2是另一個實施方式的水平記錄頭的橫截面示意圖；圖3是另一實施方式的單磁極垂直磁記錄頭的橫截面示意圖；圖4是FeCo電鍍膜的矯頑力和組成的相關性曲線圖；圖5是FeCo電鍍膜的矯頑力和厚度的相關性曲線圖；圖6是FeCo電鍍膜的飽和磁通密度和組成的相關性曲線圖；
圖7是FeCo電鍍膜的高頻磁導率的曲線圖；圖8是FeCo電鍍膜的X射線衍射峰；圖9是其中晶體不沿bcc(110)取向的FeCo脈衝電鍍膜的B-H曲線圖；圖10是其中晶體沿bcc(110)取向的FeCo脈衝電鍍膜的B-H曲線圖；圖11是顯示鍍覆厚度和薄膜電阻之間關係的曲線圖。
具體實施例方式
現在將參考附圖詳細描述本發明的優選實施方式。
本發明的軟磁性薄膜可以應用於圖1～3所示的磁記錄頭。圖1和2中所示的記錄頭是平面型磁頭，但是該軟磁性薄膜可以應用於複合型(stitched)磁頭。在圖1和2兩者中，軟磁性薄膜設置於上部磁極內；在圖3中，軟磁性薄膜設置於主磁極或者拖動式屏蔽件內。
圖1是薄膜磁頭10的局部橫截面圖。
磁頭10包括磁記錄頭12和再生磁頭14。因為磁頭10具有已知的結構，所以將對其進行簡要地解釋。
該再生磁頭14包括由FeNi形成的下屏蔽層15和上屏蔽層16；由例如氧化鋁形成的絕緣層17；和設置於絕緣層17內已知的MR(磁阻)元件18。
該上屏蔽層16用作記錄磁頭12的下部磁極。
由例如氧化鋁形成的絕緣層20形成在下部磁極16上，線圈22形成在該絕緣層20內，雙層的上部磁極24形成在該絕緣層20上。該上部磁極24由FeCo電鍍層25和在該電鍍層25上形成的FeNi電鍍層26構成。該層25和26與本發明有關。
與下部磁極16和上部磁極24接觸的後部間隙部分27形成在磁記錄頭12的後端。線圈22多次卷繞在後部間隙部分27上。面向記錄介質(未示出)表面的磁隙(寫入間隙)部分30形成在磁記錄頭12的前端。由Bs比下部磁極16的Bs更高的材料例如FeCo形成的高Bs層31通過濺射形成在下部磁極16的前端層16a和磁隙部分30之間。
在本實施方式中，上部磁極24的電鍍FeCo層25的組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)。此外，通過電解電鍍形成的FeCo層25是具有bcc晶體結構的軟磁性薄膜，而且FeCo層25的晶體沿(110)晶面取向。
磁隙部分30是由例如Ru形成的非磁性導電層，而且上部磁極24的FeCo層(軟磁性薄膜)25形成在磁隙部分30上。即，磁隙部分30是FeCo層25的基底層。
當通過電解電鍍形成上部磁極24時，磁隙部分30的非磁性導電層用作供電層。FeCo電鍍層25的晶體取向可以通過選擇非磁性導電層的材料來控制。
圖2是另一個薄膜磁頭10的局部橫截面圖。圖1所示的結構元件採用相同的附圖標記，而且將省略說明。
在圖2中，由絕緣材料例如Al2O3、SiO2形成的磁隙部分32形成在高Bs層32上。該上部磁極24包括由磁性導電材料形成的電鍍基底層28；通過由電解電鍍進行電鍍的FeCo層25，其中基底層28作為供電層；和FeNi電鍍層26。
同樣在本實施方式中，電鍍的FeCo層25的組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)。此外，通過電解電鍍形成的FeCo層25是具有bcc晶體結構的軟磁性薄膜，而且FeCo層25的晶體沿(110)晶面取向。
注意，附圖標記16b表示磁性分隔層。
圖3是具有用於垂直磁記錄的單磁極磁頭33的薄膜磁頭10的局部橫截面圖。圖1和2所示的結構元件採用相同的附圖標記，而且將省略說明。
在圖3中，非磁性導電層35形成在絕緣層34上，主磁極36是FeCo電鍍層，其通過電鍍形成在非磁性導電層35上。注意，當形成主磁極36時，非磁性導電層35用作供電層。非磁性導電層37形成在主磁極36上。拖動式屏蔽件40是FeCo電鍍層，該拖動式屏蔽件40形成在旁軛38的前端，並面向記錄介質(未顯示)的表面。當形成拖動式屏蔽件40時，非磁性導電層37用作電鍍基底層。注意，拖動式屏蔽件40應該形成在具有大磁場梯度和高密度記錄數據的磁頭內。根據記錄密度，可以省略拖動式屏蔽件40。圖3示出具有拖動式屏蔽件的單磁極磁頭，但是本發明的軟磁性薄膜可以應用於沒有拖動式屏蔽件的單磁極磁頭。
在本實施方式中，主磁極36和拖動式屏蔽件40中至少一個的電鍍FeCo層的組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)。此外，通過電解電鍍形成的FeCo層是具有bcc晶體結構的軟磁性薄膜，而且FeCo層25的晶體沿(110)晶面取向。
圖4和5示出軟磁性薄膜的磁性能，這些軟磁性薄膜通過電解電鍍形成，具有bcc晶體結構，而且其晶體沿(110)晶面取向。圖4示出矯頑力(Hc)隨FeCo電鍍膜組成的變化；圖5示出Hc隨FeCo電鍍膜厚度的變化。根據圖4，晶體沿(110)晶面取向的FeCo電鍍膜在寬的組成範圍內具有小的矯頑力。
圖6是FeCo電鍍膜的飽和磁通密度(Bs)與組成的相關性曲線圖；根據圖6，在60重量％≤Fe≤75重量％的組成範圍獲得具有高Bs例如Bs≥2.3T的FeCo電鍍膜。所以，通過控制晶體取向而使矯頑力Hc更小的組成範圍完全包括所需要的範圍。
根據圖5，通過在膜厚度方向進行晶體取向控制，從開始到完成薄膜形成，保持小的矯頑力Hc。所以，可以減小矯頑力而保持高Bs，從而可以提高軟磁性能，而且可以生產具有優良高頻響應的磁頭。
根據圖7，晶體沿(110)晶面取向而且矯頑力Hc小的FeCo電鍍膜具有高磁導率，例如μ≈700。所以，可以由單個FeCo層形成上部磁極，而且該FeCo電鍍膜可以應用於垂直磁記錄的單磁極磁頭的拖動式屏蔽件。
通過選擇籽晶層(電鍍基底層28、30、35和37)的材料可以控制FeCo膜的晶體取向。適當的電鍍基底層由非磁性導電材料或者磁性導電材料形成，該非磁性導電材料是貴金屬例如Ru、Rh、Pt或者包括這類貴金屬的合金，該磁性導電材料是包括選自Fe、Co和Ni的至少兩種元素的合金。
圖8是具有不同基底層的FeCo電鍍膜的X射線衍射峰。基底層由NiP、FeCo、NiFe和Ru形成。其它的導電材料具有相同趨向。根據圖8，bcc(110)的XRD衍射峰隨著基底層的材料不同而明顯不同。因為縱軸的範圍較大，所以沒有顯示其它弱的衍射峰。bcc(110)衍射峰高的膜幾乎完全沿bcc(110)取向。然而，衍射峰低的某些膜沒有隨機地取向。
圖9和10是FeCo膜的B-H曲線圖。在圖9中，FeCo膜具有由NiP形成的基底層；在圖10中，FeCo膜具有由Ru形成的基底層。在基底層和晶體取向不同的FeCo膜中，B-H曲線不同。在具有NiP基底層的FeCo膜中，沒有控制晶體取向，結果該B-H曲線是各向同性的而且矯頑力Hc不夠小。另一方面，在具有Ru基底層的FeCo膜中，晶體沿bcc(110)取向，所以可以減小在易磁化軸和難磁化軸的B-H曲線的矯頑力Hc。
當非磁性導電膜用作基底層且晶體沿bcc(110)取向的FeCo電鍍膜應用於水平磁記錄頭時，非磁性導電基底層(籽晶層)用作磁記錄間隙層，從而磁頭具有以下優點。即，可以簡化製造工藝、可以減小上部磁極的修整量、可以防止磁性層的粘附、可以精確控制磁芯寬度等等。
在晶體沿bcc(110)取向的FeCo電鍍膜應用於垂直磁記錄的單極磁頭的主磁極時，當除去基底層時，沒有基底層(籽晶層)的材料粘附在主磁極上。所以，主磁極可以維持想要的形狀。在其晶體沿bcc(110)取向的FeCo電鍍膜應用於垂直磁記錄的單極磁頭的拖動式屏蔽件時，當除去基底層時，沒有基底層的材料粘附在拖動式屏蔽件上。所以，該拖動式屏蔽件可以維持想要的形狀，並且可以防止電氣短路。此外，該FeCo電鍍膜不僅可以作為拖動式屏蔽件而且可以作為線圈的基底層(參見圖3)。
拖動式屏蔽件的材料應該具有高磁導率μ和高飽和磁通密度Bs。通過將晶體沿bcc(110)取向，可以提高軟磁性能，所以可以使磁導率更高。所以，可以生產希望的拖動式屏蔽件，而且可以提高用於垂直磁記錄的單極磁頭的記錄解析度。注意，在使用由磁性材料形成的基底層以及常規磁頭時，通過控制晶體取向可以軟磁化電鍍膜。但是該電鍍膜可以通過常規方法來製造。所以，可以提高磁頭特性，而不改變傳統的製造工藝。
實施例接著，將解釋製造FeCo合金薄膜的方法。
基板由例如Al2O3-TiC形成。由非磁性導電材料形成的電鍍基底層通過濺射或者蒸發形成在基板上。為了緊緊地粘附在基板上，厚度為5～10nm的Ti膜形成在基板上。可以使用Ta、Cr、Nb等等來代替Ti。根據影響電鍍膜分布的薄膜電阻來確定基底層的厚度。薄膜電阻與金屬的比電阻有關。為了減小薄膜電阻，由具有大電阻的金屬形成的電鍍膜的厚度必須更厚。圖11示出鍍覆厚度和薄膜電阻之間關係的曲線圖。膜厚度隨著製造工藝的變化而變化。例如，如果電鍍膜用於垂直磁記錄的單極磁頭的主磁極，該變化應限制在±5％範圍內。這樣，薄膜電阻應該小於或者等於1.6Ω/sq。在該電鍍膜用於感應磁頭時，希望的變化是±5％。如果可以忽略小的變化，就可以提高薄膜電阻。例如，如果使用Ru，則厚度大於或者等於50nm的電鍍膜可以應用於感應磁頭以及用於垂直磁記錄的單極磁頭的主磁極和拖動式屏蔽件。
表1示出電鍍液的組成，表2示出用於形成膜的條件。
表1
表2
為了供應Co離子和鐵離子，電鍍液包括Co和Fe的硫酸鹽、氟硼酸、導電劑和應力消除劑。該應力消除劑是結構中包括[＝C-SO2-]和[-C-N-]的有機物，例如糖精鈉。此外，可以在FeCo電鍍液中添加結構中包括[＝C-SO2-]而不包括[-N-]的其它物質，例如1，3，6-萘三磺酸三鈉、1，5-萘二磺酸二鈉。但是，結構中包括[＝C-SO2-]和[-C-N-]的有機物的應力消除效果更大，所以該有機物合適作為添加劑。隨著應力消除劑自身的化學吸附能力及在電鍍液中的離子的輔助作用的不同，應力消除劑在膜中的量也不同。例如，如果含氮的離子(例如銨離子)存在於溶液中，氮的化學吸附能力促進應力消除劑與膜的結合。特別地，該結合被抗蝕圖活化。如果該結合被過分地促進，則飽和磁通密度Bs下降，所以膜的特性必定更壞。當結構中包括[＝C-SO2-]和[-C-N-]的有機物用作應力消除劑時，應該選擇合適的導電劑。合適的導電劑是陽離子為鹼金屬的氯化物、硫酸鹽或者氨基磺酸鹽。例如，可以使用氯化鈉、氯化鉀、氯化鋰、硫酸鈉等等。在本實施方式中使用氯化鈉。該FeCo軟磁性薄膜通過電解電鍍形成在Al2O3-TiC基板上。在大約8000e的直流磁場中進行電鍍。
下面將說明形成膜的條件。為了提高電流效率和抑制Fe離子的氧化，該溶液的適當pH值是2.0～3.0。在本實施方式中，pH值是2.3。用硫酸調整pH值，但是也可以用鹽酸來調整。為了提高pH值，可以使用氨。另一方面，如果氫氧化鈉添加到該溶液中，則氫氧化物立即沉積在該溶液中，因此氫氧化鈉不是合適的添加劑。
脈衝電流用於電鍍。平均電流密度是3～50mA/cm2、負載周期是5％～50％和頻率是0.1～50Hz。可以用直流形成該膜，但是該膜的表面糙度必定會大。用脈衝電流電鍍的FeCo膜的表面糙度小於用直流電鍍的膜的表面糙度。在用脈衝電流電鍍的FeCo膜中，Ra是≤5nm，這幾乎等於NiFe電鍍膜的平坦度。溶液的溫度是15～30℃。如果溫度太高，將加速鐵的氧化，必定縮短溶液壽命。適合的溫度是低於或者等於30℃。在本實施方式中，用N2進行鼓泡，以便抑制溶液的氧化。此外，電鍍槽的蓋板應該封閉，而不要頻繁地打開。
在不考慮基底層的情況下，組成表示為FexCo1-x(60重量％≤x≤75重量％)的FeCo電鍍膜中，Bs大於或者等於2.3T。通過使晶體沿bcc(110)取向，從開始形成膜直到達到1nm的厚度，都保持小的矯頑力(參見圖4和5)。如圖7所示，減小難磁化軸的矯頑力，所以提高磁導率。可以通過選擇基底層的材料來進行晶體取向控制。特別地，通過選擇Ru、Rh、NiFe和FeCo獲得顯著的效果。基底層的材料不局限於上述材料。可以使用例如像Pd、Pt、Au、Mo、W等貴金屬作為基底層的材料。然而，材料Ru、Rh、FeCo和FeNi從開始到完成膜都可以輕易地控制其晶體沿bcc(110)取向，而且可以較大提高軟磁性能。它們是FeCo膜基底層的合適材料。注意，當FeCo用作基底層時，FeCo基底層和FeCo電鍍層的矯頑力將複合，因此FeCo基底層的矯頑力應該小。上述技術對於具有bcc結構的電鍍膜是有效的，所以該Bs可以應用於例如FeCo+α(α＝Ni、Pd、Ru、Rh、Pt、Zr)，從而提高耐腐蝕性。添加少量的α，而且α的濃度根據所需的Bs來確定。在本發明中，少量的α可以包括在該FeCo電鍍膜內。
本發明可以體現為其它的特定形式，而不離開其本質特徵的精神。所以本發明的實施方式無論如何都應該看作說明性的，而非限制性的，本發明的範圍由附加的權利要求來表示，而不是由上述描述來表示，因此，涵蓋在該權利要求等同的含義和範圍內的所有變化都將包含在該權利要求中。
權利要求
1.一種通過電解電鍍形成的軟磁性薄膜，其中該電鍍膜由組成表示為FexCo1-x的FeCo形成，其中60重量％≤x≤75重量％，該FeCo膜具有bcc晶體結構，和該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
2.如權利要求1所述的軟磁性薄膜，其中該電鍍膜形成在非磁性導電基底層上。
3.如權利要求1所述的軟磁性薄膜，其中該電鍍膜形成在磁性導電基底層上，和該基底層由包括選自Fe、Co和Ni的至少兩種元素的合金形成。
4.如權利要求2所述的軟磁性薄膜，其中該基底層的薄膜電阻小於或者等於5.3Ω/cm2。
5.如權利要求3所述的軟磁性薄膜，其中該基底層的薄膜電阻小於或者等於5.3Ω/cm2。
6.如權利要求2所述的軟磁性薄膜，其中由Ta、Ti、Cr或者Nb形成的單個緊貼層形成在所述基底層下。
7.如權利要求3所述的軟磁性薄膜，其中由Ta、Ti、Cr或者Nb形成的單個緊貼層形成在所述基底層下。
8.一種磁記錄頭，該磁記錄頭包括下部磁極；形成在所述下部磁極上的上部磁極；形成在所述下部磁極和所述上部磁極之間的絕緣層；形成在後端的後部間隙部分，該後部間隙部分與所述下部磁極和所述上部磁極接觸；形成在前端從而面向記錄介質表面的磁隙部分；多次卷繞在所述後部間隙部分上的線圈；和通過電解電鍍形成在所述上部磁極中而且靠近所述磁隙部分的軟磁性薄膜，其中所述軟磁性薄膜由組成表示為FexCo1-x的FeCo形成，其中60重量％≤x≤75重量％，該FeCo膜具有bcc晶體結構，和該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
9.如權利要求8所述的磁記錄頭，其中所述磁隙部分是非磁性導電層，和所述軟磁性薄膜形成在該非磁性導電層上。
10.用於垂直磁記錄的單磁極磁頭，該單磁極磁頭包括主磁極；旁軛；形成在所述主磁極和所述旁軛之間的絕緣層；形成在後端的後部間隙部分，所述後部間隙部分與所述主磁極和所述旁軛接觸；形成在所述主磁極前端兩側並面向記錄介質表面的非磁性導電層；和形成在所述旁軛前端並面向記錄介質表面的拖動式屏蔽件，其中，所述主磁極和所述拖動式屏蔽件中的至少一個是通過電解電鍍在所述非磁性導電層上形成的軟磁性薄膜，該軟磁性薄膜由組成表示為FexCo1-x的FeCo組成，其中60重量％≤x≤75重量％，該FeCo膜具有bcc晶體結構，和該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
全文摘要
具有高飽和磁通密度和優異的軟磁性能的軟磁性薄膜。本發明的軟磁性薄膜通過電解電鍍來形成。該電鍍膜由組成表示為FexCo1－x(60重量％≤x≤75重量％)的FeCo形成，該FeCo膜具有bcc晶體結構，並且該FeCo膜的晶體沿(110)晶面取向。
文檔編號H01F10/16GK1838244SQ200510083079
公開日2006年9月27日 申請日期2005年7月8日 優先權日2005年3月23日
發明者三宅裕子, 加藤雅也 申請人:富士通株式會社