用于垂直磁记录的方法和装置 本发明一般涉及磁记录，且更具体地说，涉及在硬盘驱动器组件中垂直磁记录的装置和方法。
磁盘驱动器被用来存储电子信息。该信息一般记录在一个或多个磁记录盘片的每个表面上的同心轨道上。为了有利于数据以规则的方式存储和恢复，盘片一般被组织为称为扇区的块。这些扇区由柱面(或轨道)、头和扇区数来标识。盘片可转动地安装在芯轴电机上并且通过读/写磁头来读写信息。磁头被安装到致动器臂上，该致动器臂由音圈电机(VCM)移动以穿过盘片。用电流激励VCM以使致动器转动并移动磁头。
具有各种型式的磁记录头，包括磁阻(MR)和超大磁阻(“GMR”)磁头。磁阻(MR)磁头技术已被引入以改善用在磁随机读取存储组件内的磁头的读写性能。MR和GMR磁头包含写入元件，用于磁化相应的盘片表面，并包含单独的读取元件，用于探测盘片的磁场。磁头连接到激励写入元件并且探测穿过读取元件电压的电路上。
MR磁头的写入元件一般包括两个通常由软的磁性材料制成的磁极。这两个磁极一般在远离盘片表面的远端连接。盘旋的铜导线在各磁极之间延伸以在被施加电流时产生磁场。
在磁介质数据存储的不断改进中的一主要限制为在存储介质表面上可获得的数据密度。在数据密度上的显著增加已于近期实现的同时，对于增多的数据密度存在的后续需要为减小元件的能量消耗并且增加下一代数据存储装置的实现速度。而数据密度可能会受到很多因素影响，已经认识到磁头组件地结构对于增加数据密度是重要的。例如，MR磁头的引入实现了数据密度的增加。然而，即使这种双读/写元件结构在其可产生的数据密度上也是受限制的，这是由于在其所产生的磁场梯度内的固有的限制。类似地，付出努力以减小写入和读取元件的尺寸产生某些优点的同时，内在的物理约束将限制这些优点。
一般地，数据通过或是垂直或是纵向记录过程写入磁盘。用纵向记录时，磁化主要被定向于与被磁化的介质相同的平面内，而用垂直记录时，磁化主要被定向于垂直于盘片表面。由于被磁化的表面的相对的磁极彼此相邻地定位且作用为增强彼此的磁化极性这个事实，一次垂直记录一般被认为优于纵向记录。另一方面，用纵向记录时，相同磁化方向的磁极并列定位并且只作用为彼此消磁。从而，垂直记录一般被认为产生较小的磁化单元，并由此产生较高的数据密度。
现在参照图1，其中示出了作为用于现有技术中的传统的写入磁头110，其具有在X-Y-Z坐标系统中示出的方向。该磁头具有顶部磁极120和底部磁极140，磁场穿过它们产生。另外，在读/写操作时，盘片表面以X方向穿过磁头。如在现有技术中公知的，传统的磁头结构的一主要限制为尾端130产生相对低的磁场梯度，尤其对于垂直记录系统。如以下将描述的，由于在后边缘130上产生相对低的磁场梯度，显然所产生的磁化作用较弱，且导致位密度较低。
一般地说，随着位密度的增加，在盘片表面上的比特图将变小。此外，增加位密度将减小被读取元件探测的信号。为此目的，采用各种技术以辅助抵抗减弱信号强调的效应。例如，已经尝试了将读/写磁头更靠近盘片表面飞转或增加更多的圈数(围绕写入磁头的磁芯盘旋的铜导线的缠绕圈数)。然而，减小磁头的飞转高度可能会减弱系统的稳定性，而增加更多的圈数增加了磁头电感，这将降低写入操作的速度。
图2示出了在传统的写入磁头110的长度上的磁场梯度曲线。具体地说，其说明了在传统的垂直写入磁头中，盘片表面首先在前磁极侧210被磁化，然后又被在后磁极侧220上的相对磁场磁化这个事实。点230对应对于前磁极侧210的峰值磁场。点230大致发生在前磁极的后边缘(即，相邻间隙的前磁极侧)。同样，点240对应对于后磁极侧220的峰值磁场，其发生在相邻间隙的后磁极侧附近。随着盘片表面与前磁极相遇，其在前磁极侧210上被磁化。其然后又被在后磁极侧220上的相对极性的磁场重新磁化。点250为磁临界点，在此点盘片表面被重新磁化。然而，磁场梯度的斜率影响写入磁头进行下一个写入操作的能力，以及因此所需的写入长度。特别地，沿后边缘的磁场梯度越陡，写入磁头可以开始进行下一个写入操作越快。从而，本发明的一个方面是通过增加沿写入操作的后边缘的磁场梯度的斜率的大小，减小所需的写入长度，
现在参照图3，其示出了图1的传统的写入磁头110的磁场梯度的曲线300。图3的X轴与沿传统的写入磁头的长度的方位(X)重合，其中X＝0为底部磁极6的前缘，而X＝6为顶部磁极120的后缘。曲线310示出了穿过用于垂直记录的传统的写入磁头110的磁场梯度，曲线320示出穿过用于纵向记录的传统的磁头110的磁场梯度。点330对应垂直记录的写入点的场强，其为顶部磁极120的后边缘。同样，点340对应纵向记录的写入点的场强，其发生在磁头间隙的后边缘。注意，残留磁场沿着写入磁头的后边缘。
如图3所示，底部磁极140从X＝0延伸到X＝3微米。在底部磁极140和顶部磁极120之间的间隙从X＝3延伸到X＝3.15微米，且顶部磁极从X＝3.15延伸到X＝6.15微米。
如上所述，用于增加位密度的先前的方法之一为减小写入磁头的尺寸。然而，写入磁头能够减小的尺寸量受到在最终所产生的比特图上的影响的限制。具体地说，图4A示出当传统的写入磁头110的宽度以被减小到超过某限定值时产生的比特图。这个马蹄形的比特图由于在读取过程中引入附加噪声而负面影响读取磁头的灵敏度。从而，为了避免在读取过程中的错位，传统的写入磁头110的宽度必须保持在某界限值之内，这又限制了写入磁头可产生的位密度。
现在参照图4B，示出利用传统的写入磁头在盘片表面上产生的比特图的一侧的横截面。具体地说，图4B说明了由传统的写入磁头产生的比特图的垂直分量，其中产生噪声的马蹄形比特图形状清晰可见。
目前，高质量的系统实质上需要记录器的输入信号的免错记录和再现(例如，丢失数据位的数量小于1×10-6)。从而，具有极高的可能的面记录密度(每单位宽度的轨道数)、多倍的线记录密度(每单位长度的位数)使极理想的。类似地，使每单位时间的可被读取的数据位的数量的速率最大也是理想的。于是，存在一种能够在磁盘表面上产生较高位密度而不危及读取时间的改善的方法和装置的需求，
本发明的目的是提供一种方法和装置，其通过改变写入磁头的结构来增加在硬盘驱动器内的盘片上的位密度。如在此所用的，位密度指在盘片表面上每单位面积的数据位的数量。
为此目的，本发明的一个方面寻求改变写入磁头的顶部磁极的后边缘，以在穿过写入磁头的后边缘的磁场梯度的斜率上产生相应的变化。在磁场梯度形状上的这个变化作用为直接减小磁化所需的写入长度，其又有可能产生较高的位密度。在一实施例中，在写入磁头的顶部磁极的后边缘引入一凹陷。虽然这个凹陷可以采取多种形状，其一般需要去除顶部磁极的端部的一部分，以便顶部磁极邻近盘片表面的部分具有一不大于0.6微米的邻近盘片表面的宽度。在一实施例中，顶部磁极的这个凹陷部分利用聚焦离子束工艺来去除。在另一实施例中，被改变的写入磁头用于在硬盘驱动器组件内的垂直磁记录过程中。最后，在此有时将顶部磁极称为尾磁极，而底部磁极有时称为前磁极。
本发明的一实施例包括用于磁化盘片表面的方法和装置。该装置包括一磁头，其用于磁化在此磁盘具有多个轨道的磁盘表面，以及一写入元件，以在大致垂直表面的方向产生磁场，所述写入元件包括顶部磁极和底部磁极，所述顶部磁极具有第一宽度和第二宽度，所述第二宽度比所述第一宽度小，其中所述第二宽度比所述第一宽度更接近盘片表面。在一实施例中，第二宽度小于0.6微米。
以下结合附图来描述本发明的优选实施例。附图中：
图1示出传统的写入磁头；
图2是由传统的写入磁头产生的磁场梯度的曲线图；
图3是传统的写入磁头的磁场梯度曲线；
图4A是由传统的写入磁头产生的比特图；
图4B是由传统的写入磁头产生的另一个比特图；
图5是本发明的硬盘驱动器的俯视图；
图6是控制硬盘驱动器的电子系统的示意图；
图7示出了在硬盘驱动器的盘片上的典型的扇区；
图8示出了根据本发明一实施例的写入磁头；
图9示出了根据本发明的顶部磁极的示例；
图10示出根据本发明的写入磁头的横截面；
图11是由根据本发明一实施例的写入磁头产生的比特图；
图12是经过根据一实施例的写入磁头的磁场梯度曲线；
图13是由根据本发明的实施例构造的写入磁头产生的多个磁场梯度图；
参照附图，更具体地参照附图标记，图5示出硬盘驱动器500的实施例。该驱动器500包括至少一个由芯轴电极504转动的磁盘502，驱动器500也可以包括位于盘片表面附近的转换器(transducer)506。
转换器506在转动的磁盘上可以通过磁化并探测盘片502的磁场来分别写入或读取信息。一般转换器506与每个盘片表面508相关联。虽然只示出并描述了一单独的转换器506，应理解，可以具有一用于磁化盘片502的写入转换器和一用于探测盘片502的磁场的单独的读取转换器。读取转换器可以由磁阻(MR)材料构成。一些磁头包括用于探测盘片的磁场的磁阻(MR)材料。磁阻材料的电阻将随磁场的变化而线性改变。该磁阻材料与一电流源连接。盘片磁场的变化将导致磁阻材料的电阻及经由磁阻元件探测的电压的相应变化。MR磁头一般具有比其他类型的盘片驱动器磁头高的位密度。
转换器506可以整合入滑块510中。滑块510可以被构造成在转换器506和盘片表面508之间产生一空气支承。滑块510可以合并入磁头万向组件(HGA)512中。HGA512可以连接到具有一音圈516的致动器臂514。音圈516位于磁铁组件518附近，以形成音圈马达(VCM)520。向音圈516提供电流将产生使致动器臂514绕一轴承组件522转动的力矩。致动器臂514的转动将移动转换器506穿过盘片表面508。
信息一般存储在盘片502的环形轨道524内。每个轨道524一般包含多个扇区。每个扇区包含数据区和标识字段。标识字段包含标识扇区和轨道(柱面)的葛莱码信息(Gray code information)。转换器506穿过盘片表面508以在不同的轨道上写入或读取信息。移动转换器穿过不同的轨道一般称为寻轨。
图6示出可以控制硬盘驱动器500的电子系统600。该系统600可以包括一控制器602，其通过一读/写(R/W)信道电路604和前置放大电路610与转换器相连。控制器602可以是数字信号处理器(DSP)，微处理器，微控制器及其类似物。控制器602可以对读/写信道提供控制信号以从盘片502读取或向盘片502写入信息。信息一般从R/W信道604传到主机接口电路606。主机电路606可以包括缓冲存储器和控制电路，它们使硬盘驱动器与诸如个人电脑的系统接合。
控制器602也可以连接到向音圈516提供驱动电流的VCM驱动电路608。控制器602可以给驱动电路608提供控制信号以控制VCM的触发以及转换器506的运动。
控制器602可以连接到如只读存储器(ROM)或闪存装置612，及随机存取存储器(RAM)装置614的非易失存储器。存储装置612和614可以包含控制器602所用的指令和数据以执行软件程序。另外，指令和数据可以存储在盘片502上。软件程序之一可以是寻轨程序以将转换器506从一个轨道移到另一轨道。寻轨程序可以包含伺服控制程序以取保移动转换器506到正确的轨道。
如图7所示，数据一般存储在位于盘片502上的径向同心的轨道的扇区内。典型的扇区带有一自动增益控制(AGC)区702、同步化(sync)区域704、定义扇区的索引位区域705、识别轨道的葛莱码区域706、包括多个伺服位A、B、C、D的伺服区域708、以及包含数据的数据区域710。扇区可以还包括错位校验区域(未示出)。在工作中，磁头110移动到轨道并且读取在伺服区域708内提供的伺服信息并将其提供给电子系统600。
图8示出了根据本发明一实施例的写入磁头，其具有在X-Y-Z坐标系统的方向。如同图1中的传统的磁头一样，图8的写入磁头包括顶部磁极820和底部磁极830。然而，在本实施例中，顶部磁极包含一凹陷部分840以及一非凹陷部分850。在本实施例中，凹陷部分位于顶部磁极820的后边缘。在一实施例中，凹陷部分沿Z轴的深度在0.6到1微米之间，这代表了避免通量密度饱和的可接收范围。另外，非凹陷部分850具有与沿X轴宽度相关的宽度(即，图8内的顶部磁极厚度)。在一实施例中，非凹陷部分850的这个宽度沿X轴在0.2到0.6微米之间。在另一实施例中，这个宽度大约为0.2微米，而在又一实施例中，这个宽度大约为0.5微米。当非凹陷部分的宽度落到0.2微米以下时，热退化作用变得不可忽略。类似地，随着非凹陷部分的宽度接近0.6微米，磁头800开始回复到具有传统磁头110的磁场特征。也应指出，非凹陷部分850在此也可称作极尖(po1e tip)。
本发明的一个方面寻求通过在顶部磁极820引入凹陷部分840缩短磁化长度。如在此所用的，磁化长度指写入磁头完成一整个写操作并开始第二个写操作所需穿过的盘片表面的长度。缩短磁化长度对于增加位密度是至关重要的，这是由于磁化长度与位密度成反比的。
在图8示出根据一实施例的凹陷部分840的同时，应理解可以使用其他形状的凹陷部分。作为非限定实施例，图9示出了顶部磁极尖形状的五个非限定的实施例，其中每个具有凹陷部分840和非凹陷部分850(即，极尖)。也应指出，本发明的顶部磁极820可以用聚焦离子束(FIB)剪切工艺形成，如在现有技术中所公知的那样。
图10示出了根据本发明一实施例的写入磁头1000的简化横截面，尤其是，顶部磁极1010被示出具有根据本发明的极尖。具体地说，顶部磁极1010被示为具有比下部宽度1040大的上部宽度1050。底部磁极1020被示出具有分隔两个磁极的间隙1030。另外，顶部磁极1010被示作具有与盘片表面和间隙1030二者都相邻的非凹陷部分(即，极尖)。在本实施例中，具有宽度1050的顶部磁极1010的上部被示为与连接到极轭(pole yoke)1060。应进一步指出，顶部磁极1050的上部的宽度减去极尖的宽度将等于沿顶部磁极1010的后边缘定向的非凹陷的宽度。
箭头1070说明在记录工作期间盘片表面穿过写入磁头1000的方向。基于此方向，底部磁极1020为前磁极，而顶部磁极1010为尾部磁极。此外，写入磁头1000包括用于产生穿过顶部磁极1010和底部磁极1020的磁场的铜线圈1080l-1080i。
应进一步指出，本发明的一个方面为避免由如前面的图4A和4B中所示的各种传统写入磁头产生的产生噪音的马蹄形比特图。尤其是，根据本发明的一实施例，图形1110和1120示出了由具有根据本发明的结构的写入磁头产生的比特图。
现在参照图12，其示出了根据本发明的写入磁头的磁场梯度图。作为非限定性示例，绘于图12上的场强对应具有0.5微米厚度的顶部磁极。回到图8，那么这意味着，非凹陷部分850将具有0.5微米的沿X轴的宽度。
如图9那样，图12的X轴与沿写入磁头长度的方位(X)重合，此处，X＝0为底部磁极830的前端，而X＝6为顶部磁极820的后边缘。曲线1210示出了穿过根据本发明的一实施例的写入磁头800的用于垂直记录的磁场梯度。类似地，曲线1220示出穿过写入磁头800的用于纵向记录的磁场梯度。点1230对应在写入点的场强，对于垂直记录，该点为顶部磁极1220的后边缘。再者，点1240对应在用于纵向记录的写入点的场强，其在磁头间隙的后边缘发生。
作为非限定的示例，图12的写入磁头被示出具有从X＝0到X＝3微米延伸的底部磁极830。在底部磁极830和顶部磁极820之间的间隙从X＝3延伸到X＝3.15微米，且顶部磁极从X＝3.1 5延伸到X＝6.15微米。
图3与图12的相比较表明，尤其对于垂直记录(1210)，用在图12内的顶部磁极820的结构沿写入磁头的尾侧产生比用于产生图3的曲线的传统的顶部磁极120结构产生更好的磁场梯度特征。
图13更清晰地示出了在顶部磁极820的非凹陷部分850的宽度和沿写入磁头(X轴)的若干单位长度所产生的磁场梯度的形状之间的关系。此外，图13示出了，不仅通过改变非凹陷部分850(即，极尖)的宽度使穿过写入磁头800的磁场的大小加强，而且沿磁头的后边缘的梯度斜率而受到类似影响。尤其是，随着非凹陷部分尺寸的减小，附斜率的大小增加。特别地，曲线1310对应由传统的顶部磁极120结构产生的磁通量密度。曲线1320对应由具有0.2微米宽度的非凹陷部分的写入磁头820产生的磁通量密度。在曲线1330内的非凹陷部分850为0.3微米宽。对应曲线1340的非凹陷部分850的宽度为0.4微米，而对应曲线1350的非凹陷部分850的宽度为0.5微米。从而，图13说明了随非凹陷部分850的宽度接近0.2微米，磁通量密度增加，从而缩短了所需的写入长度，其又使写入磁头能够产生更高的位密度。图13也强调了随着极尖(即，非凹陷部分850)接近0.6微米，由磁头产生的磁场梯度接近由传统的写入磁头产生的图形这个事实。
虽然本发明已参照特定的优选实施例加以描述，对于本领域技术人员，其他实施例也显然在本发明范围内。于是，本发明的范围只由所附的权利要求所限定。