具有工程覆层(OVERLAYER)的增强旋转阀传感器 【技术领域】
本发明涉及从数据存储介质读取磁记录信息的磁阻传感器，更具体地说，涉及直接存取存储装置(DASD)系统用的旋转阀读取传感器。
背景技术
旋转阀传感器(也称为巨磁阻(GMR)传感器)通常用在基于磁性介质的DASD系统，例如磁盘驱动器的读取磁头中。旋转阀传感器是响应相邻磁存储介质上的磁场波动，产生可变电压输出的磁-电器件。如图1中所示，传统的旋转阀装置由第一和第二铁磁层(下面称为“固定”层和“自由”层)形成，第一和第二铁磁层由导电的隔离层分离。在磁盘驱动器中，这些层被定向成以致叠层的一个边缘沿横向方向面对相邻的盘面，并且叠层的层面垂直于盘面。固定层的磁矩(M1)以垂直于盘面的角度θ1(即θ1＝90°)定向。它有时称为传感器的横向”磁矩。磁矩M1实质上是固定的，因为它不会因磁盘磁畴的影响会旋转。一般通过利用相邻的反铁磁固定层，借助交换耦合实现固定。自由层的磁矩(M2)具有平行于盘面的零偏磁点取向θ2(即θ2＝0°)。它有时称为传感器的“纵向”磁矩。当受到记录在盘面上的正、负磁畴的影响时，磁畴M2相对于零偏磁点位置，沿正、负方向自由旋转。在数字记录方案中，正、负磁畴对应于数字“1”和“0”。零偏磁点是当传感器处于静止状态，并且不存在任何外部磁场时，自由层磁矩M2的位置。
电引线被布置成与固定层、自由层和隔离层电接触。在CIP(Current-In-Plane)旋转阀传感器中，如图1中所示，引线被安排成使电流沿和叠层的层面平行地横向方向通过传感器组。当引线施加检测电流时，在驱动器处理电路中产生回读信号，回读信号是当在记录磁畴的影响下，自由层磁矩M2相对于固定层磁矩M1旋转时导致的电阻变化的函数。这些电阻变化起因于当自由层的磁矩M2相对于固定层的磁矩M1旋转时，电子在隔离层和自由层及固定层的界面的与旋转相关散射的增大/减小。当自由层和固定层磁矩相互平行(即θ2＝90°)时，电阻最低，当磁矩反向平行(即θ2＝-90°)时，电阻最高。适用的关系如下：
ΔR∝cos(θ1-θ2，)∝ sinθ2。ΔR电阻变化导致被处理为读取信号的电位差。
重要的是旋转阀传感器显示出高的GRM效应比值(即，电阻变化和随着施加的磁场而变化的传感器电阻的较高比值)，以便提供最大灵敏度。同样希望构成自由层，从而它显示出受控的负磁致伸缩，提供较高的稳定性。
随着磁记录面密度的增大，必须降低记录介质及传感器的自由层的磁厚。材料的磁厚由残余磁矩密度(Mr)和材料的物理厚度(t)给出，通常表示成Mr*t。降低旋转阀传感器中自由层磁厚的常规方法是降低自由层的物理厚度，例如从30埃到25埃或者更低。不幸的是，降低自由层的物理厚度会由于降低其GMR比值，以及使自由层磁致伸缩变得更正，而降低传感器灵敏度。
改进具有薄自由层的旋转阀传感器的性能的一种方法是“旋转滤波器”设计，其中在传感器自由层和其覆盖层(最好是氧化物)之间插入薄薄的一层高度导电的非磁性材料，一般是铜(Cu)。但是，就这种设计来说，会不良地降低旋转阀薄层电阻。
因此，需要一种GMR传感器结构，其中在保持自由层中的高传感器GMR比值和受控的负磁致伸缩的同时，实现自由层磁厚的降低，以便适应数据面密度的增大。特别需要的是一种GMR传感器，在不必降低自由层物理厚度，从而不会对传感器GMR比值和自由层磁致伸缩产生负面影响的情况下，该GMR传感器具有磁厚降低的自由层，并且灵敏度得到提高。
【发明内容】
借助检测数据存储介质上的磁记录信息的新型GMR传感器，及其制备方法，解决前述问题，获得本领域的发展。所述传感器包括把导电隔离层夹在中间的铁磁自由层和铁磁固定层。在自由层上形成工程覆层，以便在不降低物理厚度的情况下，降低自由层磁厚，为高的传感器GMR比值和自由层中更负的磁致伸缩创造条件。
在本发明的例证实施例中，覆层是保护性的非导电结构，所述保护性的非导电结构确定与自由层的清晰非扩散界面，促进检测电流电子的弹性散射或与旋转相关的反射，从而保持GMR效应，并使检测电流自铁磁(和隔离)层的分流降至最小。覆层最好包括金属氧化物层，例如选自氧化铝，氧化钽或者诸如氧化钛、氧化锆、氧化铪之类的其它过渡金属氧化物，和氧化镁的材料。可借助任何适宜的物理气相沉积方法，例如离子束沉积或磁控溅射形成覆层，按照设计优先选择，实现覆层的金属组分的氧化。自由层磁厚可在35埃与26埃或者更小之间变化。最好在使传感器的GMR比值保持在约13-15％的范围内，自由层的磁致伸缩保持在约0～-2×10-6的范围内的同时，实现所需的磁厚。
本发明还公开了制备具有形成于自由层上的工程覆层的GMR传感器的方法，以及磁头和包含这种传感器的磁盘驱动器。
【附图说明】
根据如附图中图解说明的本发明的优选实施例的更详细说明，本发明的上述及其它特征和优点是显而易见的，其中：
图1是表示常规的GMR旋转阀传感器的透视图；
图2是表示包含根据本发明构成的GMR旋转阀传感器的磁盘驱动器的内部的侧视图；
图3是图2的磁盘驱动器的平面图；
图4是供图2的磁盘驱动器之用的集成读/写变换器的平面图；
图5是图4的变换器的侧视图；
图6是沿图4中的线6-6获得的横截面图；
图7是沿图6中箭头7-7的方向获得的图3的变换器的ABS视图；
图8是根据本发明构成的GMR旋转阀传感器的例证实施例的详细ABS视图；
图9是表示制备根据本发明的GMR旋转阀传感器的例证方法的流程图；
图10表示了随着覆层形成中使用的氧化物而变化的自由层磁厚；
图11表示了随着自由层磁厚而变化的GMR比值；
图12表示了随着自由层磁厚而变化的磁致伸缩。
【具体实施方式】
现在参见附图(附图不必按比例绘制)，其中相同的附图标记代表相同的部件，图2和图3图解说明了包含根据本发明的具有工程覆层的GMR旋转阀传感器的例证磁盘驱动器2。注意以示意的简化形式表示了磁盘驱动器2，只表现了理解本发明所必需的那些结构细节。至于图解说明的这些组件，应明白所有这些组件实质上都是常规组件，除非下面指出。
磁盘驱动器2通常包括由铝或其它适宜材料制成的基座铸件4。盖子5通过密封接头(未示出)可拆卸地安装在基座铸件4上。基座铸件4支承具有相关驱动心轴8的常规心轴驱动电机6。驱动心轴8带有一组磁盘10，以便与其高速旋转。磁盘10形成间隔一定距离的，垂直堆叠的磁盘母板(platter)结构。每个磁盘10通常由铝或玻璃基体构成，其上涂覆有恰当的涂层，从而磁盘的上、下表面至少之一，最好上、下表面都是可磁记录的，并且被气动配置成与读/写变换器(下面说明)高速相互作用。
借助为了绕固定的枢轴14旋转而安装的致动器12，实现对盘面的数据存取。致动器12包括一组坚固的促动臂16，促动臂16分别支持一个或两个柔性悬臂18(参见图2)。每个悬臂18支持布置成与相关盘面(代表变换器的记录介质)交互作用的浮动块20和变换器22。浮动块20被气动设计成当磁盘10以工作速度旋转时，在每个浮动块和其相关盘面之间形成空气轴承。空气轴承很薄(一般为0.05微米)，从而变换器22被放置在非常接近记录介质的位置。为了使致动器12枢轴转动，提供常规的音圈电机24。该动作通常扫过促动臂16，促动臂16的浮动块支撑悬臂18通常径向越过磁盘10的相应表面，在寻道过程中，允许变换器22从一个同心数据磁道定位到另一同心数据磁道，决定和跟踪驱动器2后面的操作。
如下更详细说明的那样，每个变换器22是一个集成装置，包括写入磁头和按照本发明构成的GMR旋转阀传感器读取磁头。借助每个变换器22的读取磁头部分，从磁盘10读取数据。该数据由通常位于每个促动臂16上的信号放大和处理电路(未示出)处理成回读信号。根据使用中的读取磁头是正在读取磁盘10之一上的客户数据区还是伺服区，回读信号带有客户数据或者变换器位置控制信息。回读信号被发送给驱动器控制器25，以便进行常规处理。借助每个变换器22的写入磁头部分，把数据记录在磁盘10上。该数据由在数据写入操作中，控制器25产生的写入数据信号提供。写入数据信号被传送给正在写入数据的任何一个写入磁头。使用中的写入磁头随后记录代表要保存在记录介质上的数字信息的正、负磁畴。
现在参见图4-7，例证的一个变换器22被表示成包括变换器写入磁头部分26和变换器读取磁头部分28。在图4-6中，变换器22被表示成搭接在29，从而形成空气轴承面(ABS)，在所述空气轴承面，变换器与相邻的旋转盘面磁相互作用。由于上面说明的空气轴承，在驱动操作中，ABS 29与盘面间隔一定距离。图7描述了从盘面的有利位置，看向ABS 29的变换器22。
写入磁头26通常包括支承第二绝缘层32(通常称为“I2”)的第一绝缘层(通常称为“I1”)，第二绝缘层32带有多于一个的感应线圈回路34。在线圈回路34上可形成第三绝缘层35(通常称为“I3”)，以便平整写入磁头26，消除线圈回路在12绝缘层32中形成的波纹。线圈回路34感应驱动形成写入磁头26的磁轭部分的第一和第二磁极部分36和38。磁极部分36和38分别从背面间隙39伸向位于ABS 29的极尖36a和38a。绝缘间隙层40(通常称为“G3”)夹在磁极部分36和38之间，在极尖36a和38a形成磁性写入间隙。注意磁极部分36通常称为“P1”磁极部分。根据极尖38a如何形成，磁极部分38可称为“P2”或“P3”磁极部分。在图5中，磁极部分38被标记为“P2”。在数据写入操作中，通过一对电引线E1和E2流向线圈回路34的电流产生包括P1层36和P2层38中的磁通量的磁场。如图6中所示，该磁通量从磁轭扩散到极尖36a和38a，在极尖36a和38a，磁通量散乱通过位于ABS 29的间隙层40。这导致在磁盘10之一的相邻记录面上形成磁畴。每个记录磁畴的取向取决于极尖36a和38a的磁化方向，而极尖36a和38a的磁化方向又由通过线圈回路34的电流的方向决定。反转线圈的电流会反转极尖36a和38a的磁化方向，从而反转下一记录磁畴的取向。这种磁化反向过程被用于在记录介质上对数据编码。
读取磁头28位于ABS 29上的绝缘间隙层42和44之间，在该处，它受从相邻盘面发出的磁通量影响。间隙层42和44通常称为“G1”和“G2”间隙区，并夹在第一磁屏蔽层46(通常称为“S1”屏蔽)和第二磁屏蔽层48(通常称为“S2”屏蔽)之间。在一些设计中，包括图5的设计中，S2屏蔽层48还提供P1磁极部分36。P1屏蔽层46通常形成于浮动块20之上，为了清楚起见，图5和6中只局部表示了浮动块20。
现在参见图8，读取磁头28被表示成包含按照本发明的优选实施例构成的GMR旋转阀传感器50。和图7的情况一样，在和ABS29平行的平面上获得图8的视图。图8中的“x”轴表示相邻盘面上，同心磁道的径向磁道宽度方向。图8中的“y”轴表示磁盘上，同心磁道的圆周中心线方向。“z”轴表示垂直指向盘面的方向。
图8中可看出传感器50具有夹在位于一侧的S1层46及G1层42，和位于另一侧的S2层48和G2层44之间的多个材料层。一对电引线结构52和54被定位成根据CIP取向，向传感器50传送检测电流“I”。
传感器50被实现成“底部型”旋转阀传感器。从而传感器50开始于其磁化方向垂直于图8的平面被固定的铁磁固定(P)层56。虽然固定层56可以是自固定的，例如通过形成具有很高的正磁致伸缩和很大的压缩压力(根据现有技术)的固定层56，不过图8表示了其中固定层56由可选的反铁磁(AFM)销钉层58外部固定的实现。在形成于G1间隙层42上的一个或多个常规籽晶层上把销钉层58沉积到适当的厚度。销钉层58可由铂-锰(Pt-Mn)，镍-锰(Ni-Mn)，铱-锰(Ir-Mn)，或者能够交换偏磁固定层56中的铁磁材料的其它任何适当反铁磁材料构成。
可按照常规方式，把固定层实现成理想地具有一个磁化方向的单层，或者实现成理想地具有平行和反向平行的磁化方向的一个以上子层。图8表示了后一结构的例子，通过生长由钴-铁(CoFe)构成的第一子层56a，由钌(Ru)构成的第二子层56b和由钴-铁(CoFe)构成的第三子层56c，形成固定层56。这些子层形成于销钉层58之上，具有适当的厚度。第一子层56a的磁矩由指入图8的平面的箭尾60a表示。第三子层56c的磁矩由指出图8的平面的箭头60b表示。磁矩60a和60b从而相互反向平行，并且一般垂直于传感器50的检测面(ABS)取向。
如上所述，固定层56使其磁矩由与销钉层58的界面交换耦接固定。固定层56的磁化方向由交换偏磁销钉层58充分固定，以防止在存在相当小的外加磁场(例如由记录在相邻盘面上的磁畴产生的磁场)的情况下，固定层56的磁化方向的旋转。
以厚度适当的导电、非铁磁材料(例如Cu)的沉积物的形式，在固定层56上形成隔离层62。
在隔离层62上形成传感器的自由层64。通过用生长到适当厚度的单层C0、Co-Fe、Ni-Fe或其它适当铁磁材料覆盖隔离层62，形成自由层64。在备选结构中，自由层64可由多层构成，例如包含底部的Co-Fe子层和上部的Ni-Fe子层的双层结构，或者包含底部的Co-Fe子层，中间的Ni-Fe子层和上部的Co-Fe子层的三层结构。
图8中的箭头66表示当传感器50处于静止状态，同时不存在从相邻盘面进入的任何磁场时，自由层64的优选零偏磁点磁化方向。最好按照适当的方式稳定磁化方向66，例如通过把硬偏磁区(未示出)包含在引线结构52和54中，以便形成与自由层62的侧面的连续接合。通常，硬偏磁区可由矫顽磁性(Hc)较高的铁磁材料，例如钴-铬-铂(CoCrPt)及其合金形成。
在自由层64的表面上形成不导电的工程保护覆层68，以便降低自由层磁厚，同时保持高的GMR比值和负的自由层磁致伸缩。履层68最好是金属氧化物层，包括氧化铝，氧化钽或者诸如氧化钛、氧化锆、氧化铪之类的其它过渡金属氧化物，或者诸如氧化镁之类的其它材料。覆层68的厚度约为10～80埃。这样构成的覆层68是热稳定的，并且形成相对于自由层64的清晰的非扩散界面，所述非扩散界面促进检测电流电子的弹性散射或与旋转相关的反射，从而保持GMR效应，并使检测电流自传感器的铁磁(和隔离)层的分流降至最小。
可利用适宜的物理气相沉积技术，例如离子束沉积或磁控溅射，形成覆层68。图9图解说明了形成覆层68的一种例证方法。根据本发明，利用常规技术，在工艺步骤80中形成自由层64。在步骤82中，利用所需的物理气相沉积技术，在自由层上沉积覆层68。举例来说，可和在低压(例如0.1mTorr)下，轰击包含覆层68的所需金属的金属靶的氙(Xe)原子一起使用离子束沉积。前述操作要在存在以适当质量流率引入的氧化金属靶的恰当氧化混合物的条件下进行。例证的氧化混合物是80％的氩/20％的氧。氧化混合物的例证质量流率为12-22sccm(标准立方厘米/分钟)。前述氧化参数可使由于过度氧化而对自由层64的损害降至最小，同时保持足够的氧化，以产生有效的覆层材料。
也可利用磁控溅射完成步骤82。这种情况下，在相当低的压强下(例如，<1-5mTorr)，在存在磁场的情况下，可用氩(Ar)离子轰击包含覆层68的所需金属的金属靶。该操作要在存在以适当质量流率引入的氧化金属层的恰当氧化混合物(例如80％的氩/20％的氧)的条件下进行。
在步骤84中，按照常规方式对整个传感器组结构退火，确定AFM层58和固定层56之间的交换耦接的方向。有利的是，这种退火过程会导致自由层64中的还原反应，所述还原反应把多余的氧(由自由层的无意氧化引起)驱送到覆层68中，从而会净化自由层材料。这会改进金属自由层64和绝缘覆层68之间界面涉及检测电流电子的旋转相关反射的质量。
未来的旋转传感器需要25埃或更低的自由层磁厚。有利的是，覆层68允许在不降低自由层物理厚度的情况下，可控地把自由层磁厚降低到这些水平，从而允许传感器50保持高的GMR比值，并实现受控的负自由层磁致伸缩。图10、11和12中图解说明了这些益处，图10、11和12表示了两组传感器的测试结果。第一组传感器根据本发明建造，按照上述离子束沉积方法沉积由氧化钽形成的覆层68。在不改变样本的自由层物理厚度的情况下，通过改变覆层68的氧化水平，改变每个样本的自由层磁厚。第二组GMR传感器具有覆盖钽的自由层。通过改变样本的自由层物理厚度，改变每个样本的自由层磁厚。
图10中，以埃为单位标绘了第一测试组中的传感器的自由层磁厚，每个传感器的不同之处在于在基于包含80％的氩和20％的氧的氧化混合物的覆层形成中，使用的sccm流的量。用于每个传感器的自由层的材料为CoFe，沉积厚度为30埃。覆层材料(氧化钽)的沉积厚度为60埃。
如图10中的曲线90所示，当氧化混合物(80％的氩和20％的氧)流率从约12sccm变到22sccm时，自由层磁厚几乎线性地从约35埃减小到27埃，而不改变自由层的物理厚度。借助外推，通过使用24sccm或更大的氧化混合物(80％的氩和20％的氧)流率，可获得25埃或更小的磁厚。
如图11中所示，第一测试组中的传感器的GMR比值不会随着自由层磁厚的降低而减小。相反，如图11中的曲线100所示，当自由层磁厚从约35埃降低到26埃时，在约14.5～15埃的范围内，传感器GMR比值保持相当平直。借助外推，可看出在不显著降低GMR比值或传感器灵敏度的情况下，也可实现25埃或更小的自由层磁厚。这和在第二测试组中的传感器中观察到的GMR比值的降低相反，在第二测试组的传感器中，通过降低自由层物理厚度，实现自由层磁厚的降低。图11中的曲线102表示了这种常规关系。
图12表示在整个所需自由层厚度范围内，和第二测试组中的传感器相比，第一测试组中的传感器获得了更理想的负磁致伸缩。特别地，图12中的曲线110表示当自由层磁厚从34埃减小到27埃时，第一测试组中的传感器的自由层磁致伸缩从稍负降低到约-2×10-6。借助外推，可看出在25埃或更低的自由层磁厚下，自由层磁致伸缩会变得更负。这和按照常规方式降低自由层物理厚度，在第二测试组的传感器中观察到的磁致伸缩方面的不良增大(如图12中的曲线112所示)相反。
因此，公开了GMR旋转阀传感器，读取磁头和磁盘驱动器，以及传感器的制备方法。有利的是，减小的自由层磁厚，高的GMR比值和负磁致伸缩的组合允许制备高性能的旋转阀传感器，所述旋转阀传感器具有源于磁厚25埃或更低的传感器自由层提供的高激发的所有益处。虽然说明了本发明的不同实施例，不过根据本发明，显然可实现许多变化和备选实施例。于是，除了根据附加权利要求及其等同物的精神之外，本发明不受任意方式的限制。