專利名稱：降低磁致伸縮的磁性多層膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用在磁盤和磁帶驅(qū)動器的記錄磁頭中的磁性材料，更具體的，涉及降低這些材料的磁致伸縮。
背景技術(shù)：
記錄磁頭廣泛用在用于存儲和恢復(fù)數(shù)字信息的磁盤驅(qū)動器和磁帶驅(qū)動器中。記錄磁頭通常具有分離的寫入和讀出元件。具有低矯頑力和高飽和磁矩的軟磁材料用作寫入元件的磁極和讀出元件的屏蔽。在磁帶驅(qū)動器中，磁帶常常與記錄磁頭接觸。因此，在磁帶驅(qū)動器中耐磨特性是需要額外考慮的重要特性。
屏蔽層和寫入頭磁極靠近讀出檢測器。由于比較接近，所以層的磁穩(wěn)定性很重要。軟磁材料較低的應(yīng)力和磁致伸縮對于驅(qū)動器的性能是很重要的，因?yàn)檫@些影響可能導(dǎo)致磁不穩(wěn)定性。如果當(dāng)受到外來磁場的影響時(shí)，例如來自寫入頭的磁場或來自旋轉(zhuǎn)的磁盤的磁場，在屏蔽層和磁極中的磁疇移動(更準(zhǔn)確的，當(dāng)不同磁疇之間的壁移動時(shí)，導(dǎo)致疇的增長和收縮)，產(chǎn)生巴克豪森效應(yīng)噪聲并被讀出元件檢測到。該噪聲嚴(yán)重降低讀回信號的質(zhì)量。此外，當(dāng)磁疇移動之后沒有回到其最初位置時(shí)，屏蔽或磁極在讀出元件的檢測器層上施加不同方向的磁場。這改變了讀出元件的磁偏置，導(dǎo)致信號不對稱并增加錯(cuò)誤率。最后，磁疇的這種不可重復(fù)或滯后的特性可以降低屏蔽或磁極的導(dǎo)磁率，這也對讀出元件的性能產(chǎn)生有害的影響。
用在屏蔽或磁極中的普通材料的集合為鎳和鐵的合金。例如，Ni(80％)Fe(20％)具有好的磁致伸縮特性，但是稍稍限制了飽和磁矩(Ms @ 10kG)。增加Fe的含量可以增加磁矩，但會導(dǎo)致高磁致伸縮。例如，Ni(45％)Fe(55％)具有更好的磁矩(Ms @16kG)，但產(chǎn)生更高的磁致伸縮，大約25×10-6。在過去進(jìn)行了用具有正和負(fù)磁致伸縮的材料的交替層的疊置材料的嘗試。這些膜會在層之間的界面上形成高的局部應(yīng)力。開發(fā)用具有改進(jìn)的磁穩(wěn)定性的材料的另一個(gè)方法導(dǎo)致磁和非磁層的交替層的發(fā)展。非磁材料的數(shù)量的增加導(dǎo)致整個(gè)疊層的磁矩的顯著降低。
需要構(gòu)成記錄磁頭的材料，表現(xiàn)出非常低的磁致伸縮性，同時(shí)不會犧牲低矯頑力和高磁矩的好的磁特性。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供用于形成降低磁致伸縮并具有好的磁特性的記錄磁頭的材料。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，提供具有由降低磁致伸縮并具有好的磁特性的材料形成的記錄磁頭的磁盤驅(qū)動器和磁帶驅(qū)動器。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的材料中的降低的磁致伸縮對記錄磁頭的性能提供了顯著的改善。
在優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的材料是重復(fù)順序的三層。一層由NiFe合金制成。另一層包含F(xiàn)eX(N)，其中(N)表示氮化膜，附加的成分X優(yōu)選Ta，但是可以從其它元素構(gòu)成的組中選取。放在FeX(N)和NiFe層之間的第三層是鉭。重復(fù)這三層的順序，得到最終材料所需的厚度。
該材料具有固有的較小的磁致伸縮值，并且通過在簡化的處理中的退火通常能夠降低磁致伸縮。該材料與坡莫合金相比還具有改善的磁矩。通過隨后結(jié)合說明本發(fā)明的原理的附圖的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的其它方案和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。


下面僅通過例子的方式結(jié)合附圖介紹本發(fā)明，其中圖1a示出了現(xiàn)有技術(shù)的磁盤驅(qū)動器的頂視圖；圖1b示出了在圖1a中沿1b-1b線的磁盤驅(qū)動器的剖面圖；圖2示出了例如附著在圖1a所示的滑動器上的現(xiàn)有技術(shù)的記錄磁頭的詳細(xì)透視圖；圖3示出了主要用于存儲和恢復(fù)數(shù)字信息的現(xiàn)有技術(shù)的磁帶驅(qū)動器；圖4示出了主要用于存儲和恢復(fù)音頻和視頻信息的現(xiàn)有技術(shù)的磁帶驅(qū)動器；圖5示出了例如用在圖1a的磁盤驅(qū)動器或圖3和4的磁帶驅(qū)動器中的一個(gè)的寫入元件的圖；圖6示出了用在例如圖3和4的磁帶驅(qū)動器中的記錄磁頭中的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖；圖7示出了用在例如圖1a的磁盤驅(qū)動器中的記錄磁頭中的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖；圖8示出了用在本發(fā)明的記錄磁頭中的疊層的基本順序；圖9a示出了具有如圖8的基本順序的Ni(86％)Fe(14％)(500)/Ta(35)/FeTa(N)(300)層的重復(fù)順序；圖9b示出了具有如圖8的基本順序的Ni(86％)Fe(14％)(500)/FeTa(N)(300)層的重復(fù)順序；圖9c示出了具有如圖8的基本順序的Ni(86％)Fe(14％)(400)/Ta(35)/FeTa(N)(400)層的重復(fù)順序；圖9d示出了具有如圖8的基本順序的Ni(86％)Fe(14％)(500)/FeTa(N)(300)層的重復(fù)順序；圖10示出了由在圖9a、9b、9c和9d中所示的多層膜產(chǎn)生的結(jié)果的表；圖11示出了在圖9a、9b、9c和9d中所示的具有和不具有插入Ta層的膜的θ-2θ圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1a和1b，本發(fā)明可以合并到通常稱作磁盤驅(qū)動器的100中。磁盤驅(qū)動器100包括至少一個(gè)記錄磁盤102。磁盤102安裝到連接在電動機(jī)106上的軸104上。在磁盤驅(qū)動器100工作期間，電動機(jī)106旋轉(zhuǎn)軸104，從而旋轉(zhuǎn)磁盤102。附著有記錄磁頭的滑動器108連接到懸架110。懸架110附著到臂112。臂112具有安裝在懸架110的遠(yuǎn)端的線圈114。在正常工作期間，包括滑動器108、懸架110、臂112和線圈114的致動器組件圍繞由動作柱118的位置定義的支點(diǎn)116旋轉(zhuǎn)。
在圖2中示出了安裝在滑動器上的記錄磁頭的細(xì)節(jié)圖?；瑒悠?00具有接近記錄磁盤的表面202。表面202通常稱作空氣支撐面(ABS)。滑動器200還具有牽引表面204，在上面構(gòu)成將在后面詳細(xì)介紹的記錄磁頭201。記錄磁頭201包括讀出元件214和寫入元件500(圖5)，將參考圖5更詳細(xì)的介紹。滑動器200的牽引表面204的視圖示出了用于連接到記錄磁頭201的金屬焊盤206、用于激勵(lì)寫入元件的線圈208以及寫入元件500的上磁極210?？諝庵蚊?02視圖通常示出了寫入元件500的上磁極210的一部分、寫入元件500的下磁極212的一部分、讀出傳感器214，以及放在讀出傳感器214周圍的兩個(gè)屏蔽216。寫入元件500由上磁極210、下磁極212和線圈208構(gòu)成。
磁帶驅(qū)動器可以用于數(shù)字信息的存儲和恢復(fù)，以及用于音頻和視頻信息的記錄和重放。
記錄磁頭302。通常在一行中有幾個(gè)記錄磁頭，并且頭組件能夠少量的橫向移動，以補(bǔ)償磁帶位置的改變。除了記錄磁頭302以外，磁帶驅(qū)動器300具有走帶機(jī)構(gòu)，用于將磁帶304從第一磁帶盤306傳送到第二磁帶盤308。磁帶盤306、308(有時(shí)也稱作卷軸)可以是單獨(dú)的裝置或者它們可以包含在盒式磁帶的外殼中。通常走帶機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)滾軸310，用來幫助定位并移動磁帶304穿過磁頭302。
在圖4中示出的另一種類型的磁帶驅(qū)動器400通常用來記錄音頻和視頻信息。在圖4中的磁帶驅(qū)動器一般具有兩個(gè)或多個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)磁鼓404中的記錄磁頭402。磁帶406走過旋轉(zhuǎn)磁鼓404。通常具有兩個(gè)獨(dú)立的或裝在盒式磁帶殼體中的磁帶盤408、410。一般走帶機(jī)構(gòu)包括一個(gè)或多個(gè)滾軸412，用來幫助定位并移動磁帶406穿過在旋轉(zhuǎn)磁鼓404上的磁頭402。
參考圖5，介紹用于磁盤驅(qū)動器和磁帶驅(qū)動器的記錄磁頭的寫入元件500的基本特征。寫入元件500由上磁極元件502、下磁極元件504和放在上下磁極502和504之間的多個(gè)線圈506構(gòu)成。在靠近記錄介質(zhì)的兩個(gè)磁極502、504之間有間隙508，通常稱作寫入間隙。在與寫入間隙508相對的遠(yuǎn)端510，磁極502、504磁接觸。圖5示出了具有許多根據(jù)本發(fā)明的薄疊層512的上磁極502和下磁極504。雖然參考圖2中的滑動器200介紹了寫入元件500，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解類似的寫入元件也可以用在圖3中的磁帶磁頭302和圖4的磁帶磁頭402。
圖6中示出了結(jié)合本發(fā)明的磁帶磁頭。圖6中所示的視圖是在移動的磁帶上的記錄磁頭600。在通常的結(jié)構(gòu)中，幾個(gè)磁帶磁頭一個(gè)挨一個(gè)沿一行安裝。圖6所示的是在行中的一個(gè)記錄磁頭600。通常左邊是第n-1個(gè)磁頭616，右邊是第n+1個(gè)磁頭618。每個(gè)記錄磁頭包括寫入元件和讀出元件。寫入元件包括稱作P1的下磁極602和稱作P2的上磁極604。寫入間隙610是在P1 602和P2 604之間的空間。讀出元件包括放在下屏蔽606和上屏蔽608之間的傳感器612。在本發(fā)明中，寫入元件的P1 602或P2 604或者P1和P2由包含NiFe/Ta/FeX(N)的層疊材料形成。而且下屏蔽606或上屏蔽608或者下和上屏蔽可以由包含NiFe/Ta/FeX(N)的層疊材料形成。614示出了通過記錄磁頭的磁帶的移動方向。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用在磁盤驅(qū)動器100(圖1a、1b)中的磁頭700。在通常由剛性陶瓷材料形成的基板702上構(gòu)成記錄磁頭。讀出元件包括放在下屏蔽704和上屏蔽708之間的傳感器706。寫入元件由被稱作P1的下磁極710和被稱作P2的上磁極712構(gòu)成。寫入間隙714是在P1 710和P2 712之間的空間。寫入磁頭和讀出磁頭的構(gòu)成通常嵌入在絕緣材料718，例如氧化鋁，的基體中。寫入元件的P1 710或P2 712或者P1和P2由包含NiFe/Ta/FeX(N)的疊層材料形成。716示出了磁盤相對于記錄磁頭的移動方向。
這里公開并在圖8中示出的是與NiFe合金804疊置的高磁矩富鐵層802，其中在上述層之間的其它界面具有插入的薄Ta層806。由于厚度小，插入的薄Ta層806的存在不會顯著降低磁矩。此外，富鐵層802與重量比多達(dá)10％的其它元素合金或與其它元素合金化，以改善鐵的耐腐蝕性。還對鐵進(jìn)行氮化以改善耐磨特性。結(jié)果得到了比Ni(80％)Fe(20％)更高的磁矩、好的磁致伸縮和好的耐腐蝕特性的疊層結(jié)構(gòu)。從功能上講，基本順序是NiFe/Ta/FeX(N)或者FeX(N)/Ta/NiFe是不重要的。
具有極好的磁致伸縮性和好的磁特性的疊層材料的優(yōu)選實(shí)施例是NiFe/Ta/FeX(N)的重復(fù)順序。第一順序在圖8中標(biāo)記為808。第二順序表示為810。順序重復(fù)812，直到得到最終需要的厚度。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在FeX(N)層中與鐵合金的元素X為Ta。但是其它元素或元素的組合也可以。其它適合的元素的不完全的列表為Ru、Al、Cr、Nb、Ti、Zr、Mo、V、W、Hf、Ga、Ge、Si、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn和Zn。這些元素通常改善純鐵的軟磁特性，并且通常還能改善鐵的耐腐蝕特性。也可以使用基本純凈的鐵，但是更容易被腐蝕。在FeX(N)層中X的數(shù)量的重量比可以達(dá)到大約10％。用在括號中的N表示氮化。這表示膜要使氮結(jié)合在結(jié)構(gòu)中，但不存在任何特定的氮化物相。氮化物相的存在通常導(dǎo)致磁化的增加和軟磁特性的下降，例如不希望的Hc和各向異性磁場(Hk)的增加。使用下面列出的濺射條件，在FeX(N)中的氮的數(shù)量通常在5到7原子％之間。
本發(fā)明簡化為使用射頻二極管濺射通過淀積實(shí)驗(yàn)?zāi)韺?shí)施。在圖9a、b、c和d中示出了構(gòu)成的膜。其它合適的技術(shù)包括射頻磁電管濺射、直接電流二極管和磁電管濺射、或者任何RF和DC濺射的組合、或者離子束淀積。在淀積期間，在基板上施加負(fù)電壓偏置。在本發(fā)明的膜的淀積期間，在基板的平面中施加小的外部磁場(70Oe)，以提供單軸磁疇各向異性。通過使用嵌入在基板固定器或托板中并靠近基板的條形磁鐵施加該磁場。該磁場也可以通過其它方式施加，例如在基板后面的一系列平行導(dǎo)線。
通常，Ta層的厚度可以在從非常薄到大約10nm(100)的范圍內(nèi)。在試驗(yàn)?zāi)ぶ蠺a層904的厚度為3.5nm(35)。FeX(N)層906和NiFe層902的厚度在大約10-100nm(100-1000)的范圍內(nèi)。
在圖9a、b、c和d中介紹的所有膜大約38μm(1.5微米)厚。所用的靶為FeTa(2原子％Ta)，NiFe(Ni86％Fe14％和Ni93％Fe7％)和基本純凈的Ta。由NiFe靶制成的膜的成分符合靶的成分。但是在FeTa膜中Ta的含量與靶相比稍高。FeTa(N)和NiFe層的淀積速率大約7nm/min(70/min)，Ta層的稍低。對于所有層，氬的流量為60標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每秒(sccm)。只在淀積FeTa層時(shí)引入氮?dú)?。對于所有層的流量?0標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每秒(sccm)。只在淀積FeTa層時(shí)引入氮?dú)?。在完成膜之后，托板和晶片表面的溫度?5和90℃之間。在大至真空和250℃的條件下在外部磁場中退火6小時(shí)。磁場與在膜淀積期間所用的磁場的方向相匹配。在硅帶上測量磁致伸縮，在硅晶片上測量磁特性和應(yīng)力值。負(fù)應(yīng)力為壓力(膜想要膨脹離開襯底)，正應(yīng)力為張力(膜要收縮，晶片變彎)。
圖9a、b、c和d示出了用于本發(fā)明和對比膜的構(gòu)成的層疊膜的結(jié)構(gòu)。圖9a示出了膜#1，層的基本順序?yàn)?0nm(500)的Ni(86％)Fe(14％)902、3.5nm(35)的Ta904和30nm(300)的FeTa(N)906。層的基本順序908重復(fù)19次，以得到大約38nm(1.5微米)的所需的最終厚度。圖9b示出了膜#2的基本順序，層的基本順序與膜#1相同，除了缺少Ta層904。構(gòu)成膜#2以便與膜#1相比較，并顯示出Ta層904的好處。在淀積FeTa層904期間，對于膜#1和#2，氮流量為3.0sccm。在圖9c和d中示出的膜#3和#4類似于膜#1和#2，除了FeTa層906和NiFe層902的厚度分別為40nm(400)。在淀積FeTa層期間，氮流量為4.0sccm。
在圖10中列出了膜#1、#2、#3和#4(在圖9a、b、c和d中示出)的評估數(shù)據(jù)。對于最終得到的膜的飽和磁矩平均為大約13kG。這遠(yuǎn)大于非層疊的Ni(80％)Fe(20％)的大約10kG的值。退火通常降低如上淀積的疊層中插入Ta層的膜的磁致伸縮。沒有Ta層904，磁致伸縮通常隨著退火而增加。在最終的膜中的應(yīng)力有相反的趨勢。但是，應(yīng)力對淀積條件敏感，并且會有少量變化。在發(fā)明的膜#1和#3中較小的的磁致伸縮(|2×10-6|)顯著的降低了處理膜應(yīng)力的負(fù)擔(dān)。
相同氮含量的單層FeTa(N)膜和Fe(N)膜的腐蝕測量顯示當(dāng)經(jīng)歷基于氯氣的腐蝕環(huán)境時(shí)，F(xiàn)eTa(N)膜具有與Fe(N)膜相同或更好的抗腐蝕性。
圖11示出了在FeTa(N)層906的下面有和沒有3.5nm(35)Ta層904的如上淀積的層疊膜的θ-2θ的x射線衍射掃描。特定的膜為Ni(93％)Fe(7％)(40nm(400))/Ta 3.5nm(35)/FeTa(N)(40nm)(400)(該順序重復(fù)19次)和沒有3.5nm(35)Ta層的對應(yīng)膜。在FeTa(N)淀積期間的氮流量為2.0sccm。以NiFe(111)、Fe(110)和NiFe(220)晶體結(jié)構(gòu)為代價(jià)，具有Ta層的疊層膜中的FeTa(N)和NiFe層中優(yōu)選(200)晶體結(jié)構(gòu)。在Fe基峰上的NiFe的峰值強(qiáng)度越高表示在FeTa(N)層中的缺陷密度越高或晶粒尺寸越小。在FeTa膜中的空隙位置存在的氮是這些晶體缺陷的根源，并導(dǎo)致小的晶粒。
Ta層影響疊層膜中的FeTa(N)和NiFe層中的晶體結(jié)構(gòu)。下面的機(jī)制可以解釋該影響。在單晶體Ni[100]中的磁致伸縮比[110]或[111]Ni單晶體更負(fù)(negative)。在單晶體Fe[100]中的磁致伸縮比[110]或[111]Fe單晶體更正(positive)。如果整個(gè)疊層膜的磁致伸縮的影響更主要地來自于NiFe層而不是FeTa(N)層，則有Ta層的NiFe[200]的晶體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)將減少磁致伸縮(在負(fù)方向增加)。但是，在由不同磁矩的磁性材料構(gòu)成的膜中的磁致伸縮將受具有最高磁矩的成分的控制。NiFe層的磁矩小于FeTa，但是由于在FeTa層中加入氮，磁矩減小，而磁致伸縮增加，并增強(qiáng)軟磁特性。而且鉭層本身作為氮的吸收劑。由此，在具有鉭層的疊層膜中的磁致伸縮將小于沒有鉭層的疊層膜，即使當(dāng)兩者的氮含量相近時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種用在磁記錄磁頭中的疊層材料，包括重復(fù)順序的NiFe層(804、902)；鐵合金層(802、906)；以及設(shè)置在所述NiFe層和所述鐵合金層之間的基本純凈的Ta層(806、904)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的疊層材料，其中氮化所述鐵合金層(802、906)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的疊層材料，其中所述鐵合金層(802、906)包括至少90％的鐵，并且剩余物包括鉭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的疊層材料，其中所述鐵合金層(802、906)包括至少90％的鐵，基本的剩余物從Ru、Al、Cr、Nb、Ti、Zr、Mo、V、W、Hf、Ga、Ge、Si、B、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn和Zn中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的疊層材料，其中所述NiFe層(804、902)包括重量比從80％到93％范圍內(nèi)的Ni；以及所述鐵合金層(802、906)包括FeTa(N)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的疊層材料，其中所述NiFe層(804、902)的厚度在10nm和100nm之間；所述基本純凈的Ta層(806、904)的厚度達(dá)到10nm；以及所述鐵合金層(802、906)包括厚度從10nm到100nm的FeTa層(802、906)。
7.一種用在磁帶驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器中的記錄磁頭，包括寫入元件，包括線圈和一個(gè)或多個(gè)放在線圈周圍的磁極元件，所述磁極元件包括疊層材料，如在權(quán)利要求1到3中任一個(gè)所要求的。
8.一種用在磁帶驅(qū)動器和磁盤驅(qū)動器中的記錄磁頭，包括讀出元件，包括讀出傳感器、下屏蔽和上屏蔽，所述讀出傳感器夾在所述下和上屏蔽之間，所述下和上屏蔽包括疊層材料，如在權(quán)利要求1到3中任一個(gè)所要求的。
9.一種磁帶驅(qū)動器，包括記錄磁頭，所述記錄磁頭具有寫入元件，所述寫入元件包括至少一個(gè)磁極元件，所述磁極元件包括疊層材料，所述疊層材料如在權(quán)利要求1到3中任一個(gè)所要求的。
10.一種磁盤驅(qū)動器，包括至少一個(gè)磁盤；至少一個(gè)滑動器，具有附著的用于在所述磁盤上記錄的記錄磁頭，所述記錄磁頭具有包括線圈的寫入元件和放在所述線圈周圍的上和下磁極元件，所述磁極元件包括如在權(quán)利要求1到3中任一個(gè)所要求的層疊材料。
全文摘要
使用降低磁致伸縮的屏蔽和磁極材料，該材料保持好的磁特性。該材料在磁帶和磁盤驅(qū)動器中用在記錄磁頭中。該材料為三個(gè)層的重復(fù)序列。一層為FeX(N)，其中(N)表示氮化膜，附加的元素X優(yōu)選Ta，但是可以從多種元素構(gòu)成的組中選取。另一層由NiFe合金制成。放在FeX(N)和NiFe層之間的第三層是鉭。重復(fù)這三層的順序，得到最終材料所需的厚度。
文檔編號G11B5/31GK1529883SQ02812724
公開日2004年9月15日 申請日期2002年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月27日
發(fā)明者詹姆斯·D.·杰瑞特, 詹姆斯 D. 杰瑞特 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司