薄膜磁头 【技术领域】
本发明是关于磁盘装置中使用的薄膜磁头，特别是关于适合于高密度记录的低浮上量、具有高可靠性的薄膜磁头。
背景技术
近年来，随着磁盘装置的记录密度的提高，迫切需要开发记录介质的性能提高并且记录再生特性良好的薄膜磁头。目前，作为再生磁头，一般使用具有可以得到高的再生输出的MR(磁阻效应)元件和GMR(巨大磁阻效应)元件的磁头。另外，人们还正在开发可以得到更高再生灵敏度的TMR(隧道磁阻)元件。另一方面，记录头使用以往的利用电磁感应的感应型薄膜记录头，然后使用将上述再生磁头和记录磁头形成一体的记录再生兼用型薄膜磁头。
以往地薄膜磁头，如专利文献1(特开2001-176031)中的图6所示，是在衬底103上形成下部屏蔽层111、再生元件113以及兼有上部屏蔽层和下部磁极作用的中间屏蔽层112，再在其上面形成记录间隙102a、薄膜线圈106、上部磁极114等，用氧化铝保护膜115将它们覆盖，构成记录再生兼用型薄膜磁头。但是，如同专利文献1中所记载的那样，由于施加记录电流，中间屏蔽层的磁畴发生变化，这种变化对再生元件产生影响，使再生输出发生变化，容易产生噪声。因此，如同专利文献1的图1和图4所示，提出了一种方案，用非磁性层4a将中间屏蔽层分割成上部屏蔽层4和下部磁极5，以减小因记录动作而产生的上部屏蔽层的磁畴的变化，降低再生输出的噪声，这种技术目前已经投入实用。
【发明内容】
近年来，伴随由于记录密度提高，记录介质与磁头的浮上面的间隔即浮上量逐渐减小，在高温环境下使用磁盘装置的场合，磁头的浮上面由于热膨胀而突出，产生被称为“热突出(サ-マルプルトル-ジョン)”的现象已成为问题。发生热突出的原因，是由于在高温环境下，薄膜磁头中的热膨胀系数较大的金属部分和防蚀膜等有机物产生热膨胀，从热膨胀系数较小的Al2O3-TiC等衬底在浮上面突出而产生的。在热突出比较显著时，磁头的顶端有可能与记录介质接触，有使记录介质发生磨损或损伤的可能性。在实际的装置中，为了在高温环境下不发生接触，需要在室温环境下将浮上量设定得较高，因而，在室温或低温环境下记录再生特性劣化，产生不能增加记录密度的问题。因此，为了实现高记录密度的磁盘装置，必须防止热突出。
在以往的薄膜磁头中，特别是如专利文献1的图1和图4所示，在不兼用上部磁屏蔽层和下部磁极的薄膜磁头中，作为磁屏蔽用磁性材料一般使用Ni的含量以80％(重量)为中心的NiFe合金膜，也就是所谓的坡莫合金膜。这种磁性材料的矫顽力和磁致伸缩常数小，适合作为磁屏蔽用磁性材料。但是，通常用来作为衬底的Al2O3-TiC和用来作为保护膜的Al2O3，其热膨胀系数大于7.1×10-6/K，约为12.8×10-6/K。因此，磁屏蔽材料使用80％(重量)NiFe合金膜的薄膜磁头，在高温环境下磁屏蔽部分在浮上面上从衬底部分向介质方向突出。虽然突出量非常小，每10℃只有大约1nm，但在高记录密度的磁记录装置中，1nm的浮上量变化对记录再生特性会产生很大的影响，因此，补尝温度从室温升高到约60℃而产生的突出量、增加室温下的浮上量将引起记录再生特性的大幅度恶化。因此，通过减少热突出，可以降低室温下的浮上量，能够大大改善记录再生特性。
为了解决上述任务，降低热突出，在本发明中磁屏蔽层使用了热膨胀系数小的磁性材料。
在本发明中，磁屏蔽层的一部分或全部使用热膨胀系数比80％(重量)NiFe合金低的磁性材料。Ni含量在30％(重量)以上、55％(重量)以下的NiFe合金，热膨胀系数比80％(重量)NiFe合金低，其组成为46％(重量)NiFe时，热膨胀系数非常低，约为8.5×10-6/K。并且具有能够在磁屏蔽层中使用的软磁性能。因此，将该材料用于磁屏蔽层的一部分或全部而得到的薄膜磁头，可以降低热突出。
在本发明的另一个例子中，下部屏蔽层或上部屏蔽层或者二者由80％(重量)NiFe合金和低热膨胀磁性材料的叠层膜构成。在这种情况下，80％(重量)NiFe合金被配置在再生元件一侧，而低热膨胀磁性材料被配置在远离再生元件一侧。如上所述，80％(重量)NiFe合金具有矫顽力和磁致伸缩常数小、良好的软磁性能这样的特征。另一方面，低热膨胀磁性材料，例如Ni含量在46％(重量)左右的NiFe合金用于磁头用的磁极材料，与80％(重量)NiFe合金相比，其矫顽力高，而且磁致伸缩常数大。将矫顽力高、磁致伸缩常数大的材料用于磁屏蔽层的场合，容易产生异常的磁畴结构，在磁头上施加记录电流时，由于漏入磁屏蔽层的磁场，磁畴结构变化，再生输出容易产生噪声。为了防止这种现象，在本发明的例子中，与磁屏蔽层的再生元件连接的一侧由80％(重量)NiFe合金膜构成，另外一侧由低热膨胀磁性材料构成。这样，可以防止再生输出的噪声产生，减小热突出。
【附图说明】
图1是本发明的薄膜磁头的剖面图。
图2是本发明的薄膜磁头的多层磁屏蔽层的剖面图。
图3是本发明的薄膜磁头的另一个例子的剖面图。
图4是本发明的薄膜磁头的磁屏蔽层和再生元件部的另一个例子的的正面图。
【具体实施方式】
下面，通过实施例更详细地说明本发明。
实施方式1
图1中示出本实施方式的薄膜磁头的剖面图。在由非磁性材料构成的衬底1上形成用于确保表面平滑性和电绝缘性的基底氧化铝2，在其上面设置用于提高再生分辨率和排除外部磁场影响的、由低热膨胀磁性材料构成的下部屏蔽层3，再在其上面设置由非磁性绝缘材料构成的再生间隙4。在再生间隙中配置由MR或GMR元件构成的再生元件5。其上面设置由低热膨胀磁性材料构成的上部屏蔽层6，以及将记录头和再生头分离开的、由非磁性材料构成的隔离层7。在其上面形成由下部磁极8、下部磁极前端层9、下部磁极后端层10、记录间隙11、上部磁极前端层12、上部磁极后端层13、非磁性绝缘层14、线圈15、线圈绝缘层16、上部磁极17和保护层18等构成的记录部。
在记录动作时，通过向线圈13施加记录电流，在上部磁极17、上部磁极后端层13、下部磁极后端层10、下部磁极8、下部磁极前端层9和上部磁极前层12上感应产生磁通，利用由记录间隙11产生的记录磁场，仅在离开浮上面19的浮上量而旋转的记录介质20上记录信号磁化。
另外，本实施方式的另一个例子如图2(a)所示，屏蔽层3是由具有低热膨胀系数的磁性材料构成的下部屏蔽层下层3a和由80％(重量)NiFe合金构成的下部屏蔽层上层3b形成。此外，上部屏蔽层6是由具有低热膨胀系数的磁性材料构成的上部屏蔽层上层6a和由80％(重量)NiFe合金构成的上部屏蔽层下层6b形成。
为了求出下部屏蔽层3和上部屏蔽层6使用具有低热膨胀系数的磁性材料的、图1所示的本实施方式的薄膜磁头以及下部屏蔽层3和上部屏蔽层6使用80％(重量)NiFe合金的现有技术的薄膜磁头的热突出，进行了热变形计算。此外，还计算了图2(a)所示的、将具有低热膨胀系数的磁性材料和80％(重量)NiFe合金叠层形成磁屏蔽层的薄膜磁头的热突出。
作为磁屏蔽层以外的材料，衬底1使用Al2O3-TiC，下部磁极8、下部磁极前端层9、下部磁极后端层10、上部磁极前端层12、上部磁极后端层13和上部磁极17使用46％(重量)NiFe合金。另外，再生间隙4、隔离层7、记录间隙11和保护层18使用Al2O3，线圈15使用Cu，线圈绝缘层使用光致抗蚀膜。表1中示出这些材料的各种性能。
表1材料 热传导率 (μW/μmk) 杨氏模量 (Gpa) 泊松比 线热膨胀系数 (10-6/K)衬底 20 390 0.22 7.1Al2O3 1.3 410 0.25 7.180％(重量)NiFe 35 200 0.3 12.846％(重量)NiFe 35 144 0.3 8.5光致抗蚀膜 0.5 3.7 0.35 30线圈(Cu) 403 110 0.3 16.2
按照上述条件计算出的温度每上升10℃时在下部层位置的热突出值示于表2中。
表2磁头结构以往例实施例1实施例2实施例3下部屏蔽层下层材料膜厚(μm)80％(重量)NiFe2.146％(重量)NiFe2.146％(重量)NiFe0.746％(重量)NiFe1.4下部屏蔽层上层材料膜厚(μm)--80％(重量)NiFe1.480％(重量)NiFe0.7上部屏蔽层下层材料膜厚(μm)80％(重量)NiFe1.346％(重量)NiFe1.380％(重量)NiFe0.980％(重量)NiFe0.4上部屏蔽层上层材料膜厚(μm)--46％(重量)NiFe0.446％(重量)NiFe0.9突出量(nm/10℃)0.630.270.530.4突出量比10.430.840.63
如上所述，将磁屏蔽层的材料全部由80％(重量)NiFe改成46％(重量)NiFe的实施例1的薄膜磁头，与以往的例子相比，热突出降低到一半以下。另外，将上部屏蔽层和下部屏蔽层的膜厚的大约30％改成46％(重量)NiFe的实施例2，热突出降低到大约80％，将上部屏蔽层和下部屏蔽层的膜厚的大约70％改成46％(重量)NiFe的实施例3，热突出降低到大约60％。由此，可以降低室温下的浮上量，能够大幅度地提高记录再生特性、尤其分辨率和输出噪声比。
由以上结果可以看出，通过使具有低热膨胀系数的磁性材料的膜厚对下部屏蔽层和上部屏蔽层的膜厚之和的比例达到30％以上，可以实现有效地减小热突出达15％以上。
作为具有低热膨胀系数的磁性材料的例子，在本实施方式中使用NiFe系合金。在1975年发行的“磁性体ハンドバツク”p342图7.113中阐述了NiFe系合金的热膨胀系数。从含100％Ni开始，随着Ni含量的降低，热膨胀系数缓慢地减小，在Ni含量为55％时达到11.5×10-6K，以这一点为界限，随着Ni含量进一步降低，热膨胀系数急剧减小，当Ni含量达到25％以下时，热膨胀系数转而急剧增大，在30％以下时达到11.5×10-6K以上。因此，由于作为本实施方式中的具有低热膨胀系数的磁性材料使用Ni含量30％(重量)以上、55％(重量)以下的NiFe合金，因而可以大幅度地降低热突出。另外，在下部屏蔽层和上部屏蔽层使用热膨胀系数11.5×10-6K的材料的场合，按照与表2同样计算，与以往的磁头相比，可以实现有效地减小热突出达15％以上。热突出减小15％的效果，在表2中的以往例的计算值的场合，达到由环境温度变化50℃而引起的热突出减小了大约0.5nm的效果，在述表3中的以往例的测定值的场合，达到减小大约0.7nm的效果。为了减小浮上，例如将磁头表面的保护膜厚度减小0.5-0.7nm，需要进行极其困难的技术开发，上述的热突出减小的效果是很大的。
在本实施方式1中展示了上部屏蔽层和下部屏蔽层双方都使用具有低热膨胀系数的磁性材料的例子，但即使使用其中的任一方也能够降低热突出。另外，在本实施方式2和3中，展示了上部屏蔽层和下部屏蔽层双方都是将具有低热膨胀系数的磁性材料与80％(重量)NiFe合金叠层的例子，但即使使用在其中的任一方上叠层的屏蔽层也能够降低热突出。
此外，具有低热膨胀系数的NiFe合金与具有高热膨胀系数的NiFe合金的叠层不限于2层，可以是3层以上的层结构，另外也可以由热膨胀系数不同的NiFe合金构成的3层以上的层结构，无论是哪一种结构，都可以实现与上述同样的热突出的降低。在图2(b)中示出下部屏蔽层和上部屏蔽层分别为4层的实施方式。具体地说，下部屏蔽层和上部屏蔽层由具有低热膨胀系数的磁性材料层3a和6a以及由80％(重量)NiFe合金形成的层3b和6b叠层而成。
实施方式2
制作图2(a)所示的本实施方式的薄膜磁头，进行热突出的评价。作为以往的薄膜磁头，制作具有图1所示的薄膜磁头结构、上部屏蔽层和下部屏蔽层都由80％(重量)NiFe膜构成的以往的薄膜磁头，另外，制作下部屏蔽层下层3a由1.1μm的46％(重量)NiFe合金构成、下部屏蔽层上层3b由1.0μm的80％(重量)NiFe合金构成、上部屏蔽层下层6b由0.5μm的80％(重量)NiFe合金构成、上部屏蔽层上层6a由46％(重量)NiFe合金构成的本实施方式的薄膜磁头，一面提高环境温度，一面用光学方法测定浮上面形状的变化，评价热突出。结果示于表3中。
表3磁头结构 以往例 实施例4 实施例5下部屏蔽层下层材料膜厚(μm) 80％(重量)NiFe 2.1 46％(重量)NiFe 2.1 46％(重量)NiFe 1.1下部屏蔽层上层材料膜厚(μm) - - 80％(重量)NiFe 1.0上部屏蔽层下层材料膜厚(μm) 80％(重量)NiFe 1.3 46％(重量)NiFe 1.3 80％(重量)NiFe 0.5上部屏蔽层上层材料膜厚(μm) - - 46％(重量)NiFe 0.8突出量(nm/10℃) 0.9 0.40 0.65突出量比 1 0.44 0.72记录后噪声合格率(％) 97.8 87.5 100
如表3所示，将上部屏蔽层和下部屏蔽层的材料由80％(重量)NiFe合金改为46％(重量)NiFe合金的实施例4的薄膜磁头与以往的磁头进行比较，热突出减小到约40％，而将上部屏蔽层和下部屏蔽层的膜厚的大约55％由80％(重量)NiFe合金改为46％(重量)NiFe合金的实施例5的薄膜磁头，其热突出减小到以往磁头的约70％。制成的薄膜磁头，由于下部磁极前端层9、下部磁极后端层10、上部磁极前端层12和上部磁极后端层13的材料都是CoNiFe合金，与表2所示的突出量的计算值相比，表3中的测定值稍大。但是，就46％(重量)NiFe合金的膜厚相对于磁屏蔽层的总的膜厚的比例与由热突出引起的突出量的关系而言，计算值和测定值大体上是一致的，从而证实通过在磁屏蔽层中使用热膨胀系数小的磁性材料代替热膨胀系数大的80％(重量)NiFe合金，可以减小热突出。
关于本发明的另一个目的即防止再生输出噪声的增加，进行记录动作后在输出波形中观察到的噪声的测定。在与磁屏蔽相关在再生输出中产生噪声的场合，对线圈施加记录电流，记录磁通流入磁屏蔽层，磁屏蔽层的磁畴结构发生变化，再生元件中往往会产生电火花状的噪声。这种现象被称为记录后噪声。为了评价记录后噪声，将施加50000次记录电流后产生100μV以上的噪声达10次以上的情况规定为不合格，评价记录后噪声的合格率，结果示于表3中。如该表中所示，磁屏蔽层由46％(重量)NiFe合金构成的实施例1的薄膜磁头，记录后噪声的合格率与以往例相比有下降的趋势，但磁屏蔽层由80％(重量)NiFe合金和46％(重量)NiFe合金叠层构成的实施例2的薄膜磁头，记录后噪声合格率与以往的薄膜磁头相同或更高。其原因目前还不十分清楚，但推测是由于经过叠层后，磁畴结构不容易发生变化，因而不容易产生记录后噪声。如上所述，采用本实施方式可以提供热突出降低而且记录后噪声也小的薄膜磁头。
在本实施方式中，使用以80％(重量)Ni的组成为中心的NiFe合金和以46％(重量)Ni的组成为中心的NiFe合金进行了探讨。这些合金的组成可以在约±3％(重量)的范围内改变，效果是一样的。
作为在磁屏蔽层中使用的材料，除了NiFe合金之类的晶质的合金之外，还可以是非晶态的合金。这些合金例如是CoTaZr、CoNbZr等合金，通过成分的选择而具有低的热膨胀系数。但是，在使用这些材料的场合，有时候记录后噪声会增加，而且热传导率也小，因而对于降低热突出未必有利。
本实施方式的薄膜磁头，基本上适合用于图1所示的上部屏蔽层与下部磁极分离的磁头结构。在上部屏蔽层和下部磁极一体化、兼用的磁头结构中，将46％(重量)NiFe合金用于兼用屏蔽材料时，记录磁通直接流入磁屏蔽层中，使磁畴结构改变，而容易产生记录后噪声。
本实施方式的薄膜磁头，除了上述磁屏蔽层的结构外，不管其他的再生元件结构、下部磁极和上部磁极结构都可以使用。例如，在图1中示出存在下部磁极前端层9、下部磁极后端层10、上部磁极前端层12和上部磁极后端层13的薄膜磁头，除此之外，还有不存在下部磁极前端层9和下部磁极后端层10、下部磁极前端部和上部磁极前端层通过记录间隙接合的薄膜磁头；线圈15配置在下部磁极前端层9和下部磁磁极后端层10之间、上部磁极17是平坦的薄膜磁头；或者线圈15配置在下部磁极前端层9与下部磁极后端层10之间、没有上部磁极前端层12和上部磁极后端层13、平坦的上部磁极配置在记录间隙上、上部磁极的前端部通过记录间隙与下部磁极前端层接合的薄膜磁头等。本实施方式对于具有上述记录结构的薄膜磁头也是有效的。
在本实施方式的薄膜磁头中，实施方式1和实施方式2中所述的记录元件，下部磁极8和上部磁极17使用具有低热膨胀系数的46％(重量)NiFe合金。在将膜厚2μm的下部磁极8由46％(重量)NiFe合金改为80％(重量)NiFe合金的场合，根据实施方式1中所述的热变形计算，在下部磁屏蔽层位置上温度每升高10℃时热突出增加0.2nm。另外，将膜厚2μm的上部磁极17改为80％(重量)NiFe合金的场合，在下部磁屏蔽层位置上的热突出没有变化，而在保护膜18位置上温度每升高10℃时热突出增加0.2nm，如上所述，即使在记录元件中，为了降低热突出，使用具有低热膨胀系数的磁性材料也是十分重要的，由于下部磁极8和上部磁极17使用具有低热膨胀系数的46％(重量)NiFe合金，可以得到热突出低的薄膜磁头。
在本实施方式的薄膜磁头中，关于记录元件，如图1中所示，就使用以往的面内记录元件的场合作了上述说明，不过，如图3所示，作为记录元件使用垂直记录型记录元件，对于垂直介质进行记录、再生的场合，本实施方式的构成和效果也是同样的。在使用图3的垂直记录元件的场合，1-7的磁屏蔽层和再生元件、隔离层与上面所述是一样的，但使用下部磁极8作为补助磁极，代替上部磁极前端层设置主磁极21，主要通过该主磁极在垂直记录介质上进行记录。
另外，在本实施方式的薄膜磁头中，作为再生元件，除了以往的CIP(再生电流面内施加型)GMR元件之外，还可以使用TMR元件和CIP(再生电流垂直施加型)GMR。在使用这些元件的场合，磁头元件的构成和效果也是同样。此外，如图4所示，本实施方式还可以适用于对再生元件的磁道宽度方向的侧部也赋予屏蔽的侧屏蔽型薄膜磁头。图4是从浮上面表示再生元件和磁屏蔽层的图。在本实施方式中，作为再生元件使用TMR元件或CPP GMR元件，在相对再生元件垂直的方向施加再生电流。因此，上下磁屏蔽层对于再生元件5也起到电极的作用。22是上下电极的绝缘层。另外，通过在再生元件的侧部也赋予侧部屏蔽层23，可以提高磁道宽度方向上的再生分辩率。在本实施方式中，对于磁屏蔽层使用具有低热膨胀系数的磁性材料与80％(重量)NiFe合金的叠层膜的场合，再生元件侧与图2(a)的场合同样地使用80％(重量)NiFe合金。
使用本实施方式的薄膜磁头的磁盘装置，由于热突出减小，可以实现低浮上化，对于确保由在磁头浮上面上通常形成的极薄膜保护层的表面到在记录介质表面上通常形成的极薄膜保护层和润滑层的表面的机械浮上量达到20nm以下的高记录密度、低浮上量磁盘装置在高温环境下的可靠性特别有效。
发明的效果
如上所述，通过将具有11×10-6/K以下的低热膨胀系数的磁性材料用于薄膜磁头的磁屏蔽层，可以降低热突出，另外，进而通过形成80％(重量)NiFe合金与具有低热膨胀系数的磁性材料的叠层结构，可以提供热突出小并且记录后噪声也小的薄膜磁头。