本发明总的来说涉及薄膜磁传感器，更具体地说涉及具有利用铁磁/反铁磁交换耦合偏磁的磁致电阻读传感器的磁传感器。 采用磁致电阻（MR）读出器来读出磁记录数据是一种已知的技术。并且还知道在MR读部件中必须提供纵向和横向偏磁场，以便消除巴克豪森噪声和将读出器保持在其最线性的运行范围内。共同转让的美国专利第4，024，489、3，840，898和4，103，415号讨论并公开了MR读出器，其中利用硬磁材料或软磁材料和/或交换耦合的偏磁方案提供了在MR部件中所需的横向和纵向偏磁场。
在磁道宽度越来越窄、线性记录密度越来越高的磁盘上读出记录的数据需要实际尺寸很小的MR读传感器，而制造这种传感器变得越来越困难了。在共同转让的美国专利第4，663，685中描述了满足这种需要的一个解决办法，其中通过在延伸进端部区的铁磁MR部件部分和仅在MR部件的端部区延伸的反铁磁层之间交换耦合，仅在MR读出器部件的中心有效区产生横向偏磁场，而在非有效的端部区产生纵向偏磁场。美国专利第4，639，806公开了一种MR读出器，它提供了通过仅在读出器端部区的MR层和硬磁层之间的铁磁交换耦合产生的纵向偏磁场。共同转让的美国专利第5，079，035公开了一种MR读出器，其中铁磁MR部件仅在读出器的中心有效区延伸。在每个读出器端部区都有一层硬磁材料，读出器端部区形成与MR部件端部相连地连接面，以提供读出器中的纵向偏磁场。中心有效区包括MR部件、非磁性隔离层和相邻的软磁层，为读出器提供横向偏磁场。
在第5，079，035号专利中描述的MR读出器看来满足了当前的需要，并有许多优点，这些优点包括由单一的光刻处理步骤确定的数据磁道、读出器有效区三层蚀刻过程的可控和可重复的蚀刻步骤、容易调整的纵向偏磁场、和基本没有侧边读出。然而，接触面或连接面硬偏磁设计具有很大的缺点，在读出器有效区的长度与连接区的长度相比要长的宽数据磁道的情况下，这一缺点可能不明显，而在有效区的长度可以与连接区的长度相比或者甚至要短的较窄的数据磁道的情况下，这一缺点可以引起连接区的磁特性不可预测或不好确定。结果，在横向磁场下读出器的响应中会引入激磁磁滞。此外，当钴（Co）合金硬铁磁材料成长在不同的衬底上，如重叠连接区的读出器的三层有效区，这种硬磁材料的磁化使得大部分Co的c轴垂直于膜平面。于是纵向磁场开始以后，这种硬铁磁层将基本不再有剩磁，并且由此产生的纵向偏磁场不足以保证读出器中的单个磁畴状态。
因此本发明的一个主要目的是提供一种磁致电阻（MR）读传感器，其中MR层基本仅在传感器的中心有效区延伸，并且在传感器的每个端部区都有一层偏磁层，传感器的每个端部区形成与MR层相连的连接面，以产生MR传感器中的纵向偏磁场。
本发明的进一步的目的是提供一种MR读传感器，其中MR层和偏磁层之间的连接面的磁不稳定性降至最小。
根据本发明的原理，MR读传感器包括具有由中心有效区隔开的无源端部区的MR读出器。铁磁材料形成的MR层基本仅在读出器的中心有效区延伸。形成第一和第二偏磁层，每层偏磁层基本仅在读出器的无源端部区之一延伸，并形成连接面，该连接面与MR层的一端实现磁和电连通，并在MR层中提供一个纵向偏磁场。在一个最佳实施例中，每层偏磁层包括一层铁磁材料和一层重叠的反铁磁材料，反铁磁材料层与铁磁材料层物理接触，为读出器提供一个交换耦合偏磁场。
制造本发明的MR读传感器的最佳方法包括以下步骤：在传感器的至少中心有效区上淀积一层铁磁材料MR层，形成覆盖传感器的中心有效区的双层抗蚀模版，将未被模版覆盖的MR层的部分蚀刻掉。然后在未被模版覆盖的传感器区域上淀积一层偏磁层，它包括由一层反铁磁材料覆盖的铁磁材料，以便形成传感器的无源端部区，偏磁层与MR材料层的一端形成连接面，于是在传感器中产生一个交换耦合纵向偏磁场。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例所作的详细描述，本发明以上的和其它的目的、特征和优点将变得非常明显，附图中相同的参考号表示相同的部分，其中：
图1是应用本发明的磁盘存储系统的简略框图;
图2是现有技术的磁致电阻读传感器的剖面图，其中通过仅形成在传感器端部区的偏磁层提供纵向偏磁;
图3是根据本发明的MR读传感器的示意剖面图;
图4A-4D表示根据本发明的制造接触连接面MR传感器的过程的具体实施例;
图5是表示形成根据本发明最佳实施例的接触连接面的更详细过程的分解图;
图6是根据图4和5所示过程生产的MR读传感器的最佳实施例的剖面图;以及
图7是根据图4和5所示过程生产的MR读传感器的第二最佳实施例的剖面图。
现在参照图1，虽然本发明是作为用于图1所示的磁盘存储系统来描述的，但是应当清楚，本发明也适用于其它的磁记录系统，如磁带记录系统。在心轴14上支撑着至少一个可旋转的磁盘12，并通过磁盘驱动马达18旋转。每个盘上的磁记录媒体是磁盘12上具有同心的数据磁道（未示出）的圆形。
至少一个滑块13位于磁盘12上，每个滑块13支撑一个或多个磁读/写传感器21，读/写传感器一般称作读/写头。当磁盘旋转时，滑块13在磁盘表面22上径向地移进移出，因此头21可以访问记录了所需数据的磁盘的不同部分。每个滑块13借助于悬架15附着在致动臂19上。悬架15提供了一个很小的弹力，它使滑块13偏向磁盘表面22。每个致动臂19附着在致动装置27上。图1所示的致动装置例如可以是音圈马达（VCM）。VCM包括一个可以在固定磁场中运动的线圈，线圈运动的方向和速度由控制器提供的马达电流信号控制。
在磁盘存储系统运行期间，磁盘12的旋转在滑块13和磁盘表面22之间产生一个空气轴承，它将一个向上的力或浮力加在滑块上。于是在运行期间空气轴承与悬架15的很小的弹力抵消，并支撑滑块13离开磁盘表面，在磁盘表面上与磁盘形成一个很小的基本恒定的间隔。
磁盘存储系统的各部分在运行期间受控制单元29产生的控制信号的控制，例如访问控制信号和内部时钟信号。一般来说，控制单元29例如包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元29产生控制信号控制各系统运行，例如线23上产生驱动马达控制信号，线28上产生头位置和查找控制信号。线28上的控制信号提供所需的当前概况，以便将选择的滑块13最合适地移动并定位在有关磁盘12的所需数据磁道上。借助于记录通道25，读和写信号传递到读/写头21，并从读/写头得到读和写信号。
以上对典型磁盘存储系统和相关的附图1的描述只是代表性的。应该清楚，磁盘存储系统可以包括许多磁盘和致动器，每个致动器可以支撑几个滑块。
现在参照图2，在共同转让的美国专利第4，663，685号中描述的现有技术的MR读传感器包括MR层32，它在整个传感器30’上延伸。纵向偏磁层43仅在传感器端部区36上延伸，以便在传感器中产生纵向偏磁场。通过薄的非磁性隔离层42与MR层32隔开的软磁材料层38在传感器30’的中心有效区44的至少一部分产生横向偏磁场。在中心有效区44检测到读信号，该区域是在传感器30’中由淀积在纵向偏磁层43上的引线导体46之间的间隔确定的。
参照图3，它是表示本发明的磁致电阻（MR）读传感器的示意图。MR读传感器30包括形成MR部件31的一层铁磁材料，MR部件31基本仅在传感器的中心有效区33上延伸，以及形成在每个端部区37中的偏磁层35，每个端部区37与MR部件31形成连接面39，以便在MR读传感器30中产生纵向偏磁场。由于MR部件31仅在传感器30的中心有效区33上延伸，因此在本最佳实施例中不需要另外的侧边读出抑制部件。这样，在每个端部区37中的纵向偏磁层35仅需要为MR部件31提供电和磁连通。纵向偏磁层35可以是单层硬磁材料层，如钴-铬（CoCr）、钴-铂（CoPt）或钴-铬-铂（CoCrPt），虽然可以要求内涂和/或外涂如钨（W）或金（Au）的涂层。另外，纵向偏磁场也可以通过铁磁/反铁磁交换耦合提供，其中纵向偏磁层35包括反铁磁材料层75，它与铁磁材料层79重叠，并与之物理接触（如图7所示）。例如，纵向偏磁层35可以包括双层锰-铁/镍-铁（MnFe/NiFe）或双层锰-镍/镍-铁（MnNi/NiFe）。如在本领域人所共知的那样，在中心有效区33中也需要横向偏磁场。横向偏磁场可以通过相邻的软磁材料层、分路偏磁或其它适合的横向偏磁技术实现。为了简单起见，在图3的示意图中没有画出横向偏磁结构。
现在参照图4A-4D，它们表示制造MR部件31和纵向偏磁层35之间适合的接触连接面的过程的最佳实施例。根据本发明的过程包括以下步骤：在适合的衬底40上沿传感器的长度方向淀积一层如NiFe的铁磁材料MR层。在所示实施例中，淀积MR层31之前，在衬底40上淀积包括软磁材料层43和非磁性隔离层45的横向偏磁结构。然后继续淀积一层合适的材料如光刻胶，按一定的图形加工光刻胶材料，以便形成模版41（图4A）。当MR材料层31以及隔离层45和软磁材料层43受到相减处理如溅射蚀刻、离子研磨或化学蚀刻以便产生MR三层结构47（图4B）时，用模版41确定MR层31的每个边缘。然后当模版41再次确定偏磁层35的边缘时，淀积纵向偏磁层35材料（图4C）。采用相同的模版41淀积一层导电材料，以便形成读出器导体引线49。当导体引线49未与纵向偏磁层35共同延伸的情况下，如果需要，可以在以后的步骤中淀积导体引线49。应注意的是，一定量的导磁材料和引线材料也淀积在模版41的上表面。然而，这一材料与模版41一起，在本领域中人所共知的去除过程中去掉（图4D），以便产生仅在端部区具有纵向偏磁层35的MR读出器或传感器，每个都与MR三层结构47具有接触的连接面，三层结构47仅在中心有效区33上延伸。
虽然在图3和4中示意地表示了MR三层47和纵向偏磁层35之间垂直的方形连接面，但是最佳实施例包括一种外形很好控制的连接面，因此可以容易地和可靠地生产所要求的连接面结构。
现在参照图5，它更详细地表示形成本发明最佳实施例的接触连接面的过程。在图5所示的实施例中，模版41包括由较薄的底层54和较厚的成象层53构成的双层抗蚀层。一次曝光和一次显影的步骤确定抗蚀层的边缘形状。在合适的显影剂中通过溶解底层54得到下切口51，它的距离由显影时间确定。
然后利用单向处理如离子研磨去除MR材料层55的暴露区域。通过使衬底相对于入射束适当地倾斜来控制入射角φ。此外，通过旋转衬底得到圆形对称，于是除了模版41的附近，从任何给定点看入射束都围绕方位角θ成圆锥形旋转，在衬底转动的某段期间，模版41的边缘遮盖层55。如图5所示，对0度方位角而言，层55暴露在c点，并且暴露极限点逐渐向左移动，直到在180度方位角暴露极限点移动到a点。作为研磨处理层55的部分57期间去除的结果（如虚线所示），本实施例的组合研磨产生了曲线斜坡56。
在衬底类似的定向和旋转期间，通过例如溅射淀积方法淀积纵向偏磁层58，以便产生如虚线59所示的淀积轮廓。淀积偏磁层58引起的组合的连接面轮廓如实线所示。还是利用同一块模版41，可以按这一步骤顺序淀积导体引线73（如图7所示）。虽然纵向偏磁层58在图5中表示为单层，但是应认识到纵向偏磁层可以包括多层，例如由一层反铁磁材料覆盖的一层铁磁材料，以便提供通过铁磁/反铁磁交换耦合形成的纵向偏磁场。同样，MR层55也可以包括多层，例如形成横向偏磁结构的MR三层47。
连接面的外形62包括两个重叠的斜坡。斜坡轮廓由模版41的高度和所选择的入射角φ确定。为了获得电可靠性，连接面重叠部分ε应比较长;然而，为了获得磁可靠性，连接面重叠部分ε应比较短。因此，选择连接面重叠部分采取了一种折衷方案，其中一般来说磁可靠性比电可靠性更重要。为了获得比较短的重叠部分，需要在淀积偏磁层58之前以低的入射角φ进行过度研磨。
现在参照图6，它是采用上述方法生产的MR读传感器的最佳实施例的剖面图，MR读传感器的表面靠近将要从中读出先前记录的磁数据的磁记录媒体。传感器60包括在传感器的中心有效区65上延伸的MR部件63，以及与MR部件63形成连接面69的硬磁偏磁层67。硬磁偏磁层67在传感器的端部区61上延伸。在该最佳实施例中，MR部件63可以包括三层结构，它们是一层铁磁材料，如NiFe，一层非磁性材料隔离层，如钽（Ta），和一层软磁材料，如NiFeRh。软磁材料层通过隔离层与MR层隔开，为MR部件63提供横向偏磁场。硬磁材料层67包括单层硬磁材料，如CoCrPt。由于硬磁材料重叠并在软铁磁材料和非磁性材料上成长的连接区域69中，存在变化的矫顽磁力和磁不稳定性，因此为了获得磁可靠性，需要使重叠部分ε较短。在一个具体的实施例中，模版41的高度大约为1μm，入射角φ大约为10度，过度研磨5%。这样选择的组合产生的连接面长度ε小于0.1μm。对这一具体的实施例来说，连接面的长度在0<ε<0.1μm的范围内对采用硬磁偏磁层以产生纵向偏磁场的传感器而言是合适的。为了确保在MR部件63和偏磁层67之间获得良好的电可靠性，可以调整模版41的下切口51（如图5所示），以便形成导体引线66与MR部件63的某些重叠部分64。
参照图7，它是根据图5所示方法生产的MR读传感器70的第二实施例的剖面图。MR传感器70包括在传感器的中心有效区77上延伸的多层MR部件，以及淀积在每个端部区71上的双层交换耦合偏磁层75/79，它们与MR部件形成连接面87。偏磁层75/79在传感器的端部区71上延伸，以便在MR部件中产生纵向偏磁场。偏磁层包括反铁磁材料层75，如MnFe或MnNi，它与诸如NiFe的铁磁材料层79重叠并接触。在该最佳实施例中，MR部件包括三层结构，它们是一层铁磁材料81，如NiFe，一层非磁性材料隔离层83，如钽（Ta），和一层软磁材料85，如NiFeRh。软磁层85通过隔离层83与MR层81隔开，为MR部件提供横向偏磁场。与参照图6所描述的最佳实施例中用于偏磁层的硬磁材料的磁化强度不同，与反铁磁层交换耦合的铁磁层的磁化强度不会单向变化，因此应用横向偏磁场不会引起剧烈响应。同样，铁磁/反铁磁耦合中的磁化强度不会随上面生长了该材料的衬底而变化，因此当生长在连接面87的重叠区ε时，它不会减小。因此，在利用反铁磁/铁磁交换耦合以提供纵向偏磁场的传感器中，连接区中的磁不稳定性不再是个问题，并且可以采用连接面87处的较长的重叠部分ε，以确保电接触和可靠性。在一个具体的实施例中，模版41的高度大约为1μm，入射角φ范围大约为70至80度。这样选择的组合产生的连接面长度ε大约为MR部件厚度的5倍。对这一具体的实施例来说，连接面的长度ε在3至5倍MR部件厚度的范围内对采用反铁磁/铁磁交换耦合偏磁层以产生纵向偏磁场的传感器而言是合适的。如上所述，可以用相同的处理步骤顺序淀积导体引线71，另外MR部件和偏磁层可以在随后的步骤中淀积。
虽然以上参照本发明的最佳实施例具体展示了本发明并作了描述，但是本领域的一般技术人员应懂得，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明的形式和细节做各种改变。