旋转阀磁阻传感器、制造 方法及其磁记录系统 本发明相关于一个以旋转阀效应为基础来感应磁场的磁阻(MR)传感器，制造这种传感器的方法和含有这种传感器的磁记录系统。
磁阻传感器根据由磁性材料制成的读出元件的磁阻变化对磁场信号进行检测，磁阻是被读出元件检测的磁通量的强度和方向的函数。常规的磁阻传感器是根据读出元件的磁阻分量随读出元件的磁化强度和通过该读出元件检测电流的方向夹角余弦的平方而变化的各向异性的磁阻效应(AMR)进行工作地。记录的数据可以从一个磁载体中读出，因为来自于被记录的磁载体(信号场)的外部磁场引起读出元件磁场方向的变化，磁场方向的变化又引起读出元件的阻抗和相应的被检测的电流和电压的变化。
一种不相同并且更明显的被称为巨磁阻(GMR)的磁阻在各种磁多层结构中被观察到，其主要特征是具有至少被非铁磁金属层分开的两个铁磁金属层。这种巨磁阻效应已在多种系统中发现，例如铁/铬或钴/铜多层系统，象在磁场沿着两个铁磁层中被固定或锁住的一层方向的基本非耦合层状结构中的情况一样，显示了很强的对铁磁层的反铁磁性耦合特性。在所有结构中，物理变化的原因都是相同的：外部磁场的作用引起了相临铁磁层磁化的相对方向变化，这又引起与自旋相关的传导电子的扩散变化，从而导致这一结构电子阻抗的变化。因此，这个结构的阻抗随着这个铁磁层磁化相对方向的变化而变化。
巨磁阻的一个特别有用的用途是三明治结构，包括由一个非磁性铁垫圈层隔开的两个基本非耦合铁磁层，铁磁层中一层的磁化方向被固定。这种固定可以通过把这个铁磁层固定么一个反铁磁性的铁—锰层上，以使这两个相临层相互耦合实现。没有固定或“自由”的铁磁层也可能将其延展部位(即位于中央活跃感应区的任意一边上的自由层部份)予以固定，但其方向与被固定层的磁化方向垂直，这样只有自由层中央活跃区的磁化强度随外部场的变化而自由变化。自由层延伸的磁化强度也可以通过相互耦合到一个反铁磁层而固定。但是，用在这里的反铁磁性材料必须与用在固定层的铁—锰反铁磁性材料不同，产生的这种结构是一个旋转阀(SV)磁阻传感器，其中只有自由铁磁层随着外部磁场的变化而任意变化。授予IBM的美国专利5159513公开了一个传感器，其中铁磁层至少有一层含有钴或一种钴合金，并且通过使固定的铁磁层和一个反铁磁层相互耦合使外部作用磁场为零而使这两个铁磁层的磁化方向大体保持互相垂直。同样是授予IBM的美国专利5206590公开了一个基本旋转阀传感器，其自由层是一个具有中央活跃区和终止区的连续薄膜，自由层的终止区通过相互耦合到一种反铁磁性材料而相互施加偏压，固定层通过相互耦合到一个不同类型的反铁磁性材料而被固定。在590专利中描述的旋转阀传感器存在难以生产制造的缺点。如果使用相减生产技术，很难对传感器的顶层和到自由层进行精确的分解而又不危及或使自由层变薄。自由层也可是几层的组合，包括厚度只有几埃的薄层，因此自由层状结构的顶层在分解时可能是危险的。如果使用相加生产技术，不可能在一种真空过程中叠放全部的旋转阀层以使自由层和隔离层界面的完整性得到妥善解决。
1993年7月13日提交的相关申请08/090714描述了一个巨磁阻传感器，在那里由于终止区被反铁磁层纵向施加了偏压，磁阻元件有与中央传感区相连的不连续的终止区。
需要一个具有端部区域被改进的自由铁磁层的旋转传感器来与反铁磁层相耦合。
本发明是一个改进的SV传感器、制造该传感器的方法、以及包含该传感器的磁记录系统。SV传感器中的自由铁磁层只在传感器的中央活跃感应区域存在，它有一个与端部区域相临的明确边界。端部区域由一个铁磁层和一个反铁磁层形成，位于端部区域的铁磁层与传感器中央活跃区域的自由层绝然不同。这些铁磁层并不需要具有相同的组成、厚度或磁矩。最好是由镍—锰合金制成的反铁磁材料层在端部区域的铁磁材料上形成，并与其相接触，用于与端部区域相互耦合以给他们提供磁化的纵向偏压。SV传感器中的固定铁磁层通过与反铁磁材料的不同层相互藉合来定位，这个反铁磁材料最好是铁—锰合金，该铁磁材料与位于端部区域的反铁磁材料具有完全不同的内尔(Neel)温度。
在制造传感器的过程中，对构成中央传感区域的层进行图形腐蚀来限定具有确定磁道宽度的中央传感区域。接着将另外的铁磁材料以某种方式放在自由层中央区域的侧面的衬底上，以靠近自由层中央区域的边界。镍—锰自由层放在端部区域的铁磁材料上。传感器随后在旋加磁场的情况下在锻烧炉中加热到使镍—锰磁化可被固定，并且与铁磁端部区域的磁化不同。冷却后，传感器在炉中旋转90度，并加热到镍—锰的内尔温度以上，以使镍—锰的磁化固定，从而使其与固定的铁磁层的磁化不同。
为了使读者对本发明的特性和优点有更好的理解，下面我们将结合附图进行详细的描述。
图1是根据本发明与SV传感器一起使用的磁记录磁盘驱动器的简化框图。
图2是去掉盖子后的图1的磁盘驱动器的俯视图。
图3是现有技术的SV传感器的部件分解透视图，示出了端部区域相互耦合到反铁磁层的连续自由层。
图4是从磁盘所看到的图3的现有技术SV传感器的示意图，它也示出了顶层和电导线。
图5是从磁盘看到的本发明的SV传感器的示意图。
图6A—6D示出了制造图5的SV传感器的步骤。
虽然本发明的SV传感器是与磁记录磁盘驱动器一起来描述的，如图1所示，但本发明也可以用于其他磁记录系统，如磁带记录系统，也适用于磁阻元件起位元作用的磁随机存取存储系统。
图1示出了采用MR传感器的那一类的现有技术磁盘驱动器的剖面示意简图，该磁盘驱动器含有一个底座10，磁盘驱动器电机12、传动装置14和盖11固定在底座上。底座10和该盖11为该磁盘驱动器提供了一个完整的密封箱。特别是在底座10和盖11之间装有一个密封圈和一个小通气孔(未示出)用来平衡改磁盘驱动器内部和外部环境的压力。磁记录磁盘16通过固定在盒18上与驱动电机12相连，通过驱动电机12的转动带动其转动。一层薄润滑薄膜50保持在磁盘16的表面。读/写头或转换器25被安装在托架，例如一个空气支撑滑块的从动端，转换器25可以是一个感应读和写转换器或一个将要描述的具有SV读元件那种类型的感应写元件。滑块20通过坚固的臂22和悬架24与传动装置相连，悬架24提供一个偏力推动在记录磁盘16上的滑块20。在磁盘驱动器工作期间，驱动电机12以固定速度带动磁盘16旋转，传动装置14，特有的线性或旋转音圈电机(VCM)，总是使滑块20沿径向在磁盘16的表面移动，使读/写头可以对磁盘16的不同磁道进行读写。
图2是去掉盖11的磁盘驱动器的内部俯视图，更为详细地示出了悬架24提供一个力到滑块20以推动磁盘16，悬架可以是常规的如IBM美国专利4167765中描述的众所周知的Watrous悬架，这种类型的悬架也为滑块提供了万向架装置，使滑块座落在空气支撑面上时倾斜和转动，通过转换器25从磁盘16上检测到的数据，通过安装在臂22上的集成电路芯片15中的信号放大器和运算电路处理为一个数据读回信号，来自转换器25的这个信号通过电缆17传到芯片15，再通过电缆19把信号送出。
上面借助图1和图2对一个典型的磁记录磁盘驱动器的描述仅仅是为了说明的目的。很明显，磁盘驱动器可以包含大量的磁盘和转换器，每个转换器可以支撑许多滑块。此外，除空气支撑滑块，读/写头的托架可以是一个使头与磁盘相接触或靠近的托架，例如以液体支撑或其他接触记录磁盘驱动器。
现有技术的SV传感器30示在图3中。形成完整传感器的薄膜覆在适当的衬底31上，SV传感器30可以构成图1和图2磁盘驱动器系统的转换器25的部分，衬底31可以是头托架或滑块20的从动端。
底层或缓冲层33装在衬底31上，接着是软铁磁材料的第一薄层，接着是一个薄的反铁磁性金属隔离层37，接着是第二铁磁材料薄层，再就是具有较高电阻并直接与铁磁层39接触的相互偏磁材料的薄层41，它装在铁磁层35的上面，然后，对37、39、41层的端部进行浸蚀处理，其预定的宽度总是与磁介质，例如磁盘16，的数据磁道的宽度相对应，然后，反铁磁层42、43直接装在铁磁层35的中央活动传感区36两侧的延伸部位52、53上。用于防腐的顶层和分布在42、43层的电导线在图3中没有示出。
当不存在来自记录磁盘16的外部磁场作用时，两层铁磁材料35、39的磁化被相互定位在一个角度上，最好是90度，分别如箭头32和38所示。铁磁层35被称为“自由”铁磁层，因为在其中部区域36的磁化能响应外部作用的磁场(如图3所示的磁场h)来旋转其方向，如层35上的虚线箭头所示。铁磁层39被称为“固定”铁磁层，因为其磁化方向被固定在一个最佳位置，如箭头38所示。层41通过交互耦合来提供一个偏置磁场，由此将铁磁层39的磁化固定在最佳方向(箭头38)，这样在存在强度在磁盘16的信号磁场范围内的外部磁场作用时，它不会转动其方向。与此类似，层42、43通过交互藉合到自由铁磁层35的延伸部位52、53来提供纵向偏压。这保证了在不存在外部磁场作用时自由铁磁层35的中央敏感区的磁化一般被保持与固定铁磁层39的磁化垂直。
图4示出了从磁盘16的表面看去所看到的图3的结构，图中示出了覆盖层44和与传感器30电性相连的被组成图案的电线柱45、46。图4也将自由层35示为一种连续薄膜，它具有中央活跃感应区36，如虚线之间的部分所示，和位于中央区域36两侧的端部区域或延伸部位52、53。位于区域36的任意一边的自由层35的延伸部位52、53分别被反铁磁交换层42和43纵向偏置。采用反铁磁交互耦合层41和42、43是分别将铁磁层39和自由层35的延伸部位的磁化定位的最佳方法。交互偏置层41和42、43通常由适当的反铁磁材料制成，如铁—锰或镍—锰合金。但是用于层41的反铁磁材料必须与用于层42、43的不同，这是因为层41的磁化必须与层42、43的磁化垂直。在加工过程中，反铁磁材料受到一个磁场作用，并同时被加热到一个特定的极限温度来定位它的磁化。必须选择不同的反铁磁材料，以便当一种材料被加热到它的温度来定位其磁场时，这一温度将位于另一材料的极限温度之下，它的磁化不会受到影响。
采用持续薄膜自由铁磁层，其中中央敏感区域和延伸区域或端部区是该持续薄膜的一部分，在制造SV传感器时有一些缺点，主要问题是还原浸蚀隔离层37、固定铁磁层39和交互偏置区41的端部区域，而又不腐蚀或人为减小自由铁磁层端部区域52、53的厚度的能力。大多数浸蚀技术，如离子研磨或溅蚀，具有10％的均匀去除特性。必须被去除的三层中，一般来说隔离层的厚度为25埃，固定铁磁层的厚度为60埃，交互层的厚度为150埃，或总厚度为大约250埃。由于10％的材料去除的不确定性，通常厚度为50埃的自由层能够在厚度上被减少50％，变为25埃。这会消除端部区域52、53的纵向偏置，因为包含在端部区域的净磁矩应该与传感器的中央活跃区域36的净磁矩相差不大，以产生稳定的偏置状况。另外可以利用迭加技术解决现有技术旋转阀的制造，这种情况下，在放好自由铁磁层后，光敏抗腐剂可以通过传感器中央活跃区域的孔涂在自由层上，然后隔离层、固定铁磁层和交互层可以放在光敏抗腐剂和自由层的其他区域上，然后通过使光敏抗腐剂溶解把材料从自由层上卸下，这种迭加技术需要两次分离沉积来形成传感器的中央活跃区域，特别是在自由铁磁层和隔离层之间的界面要采取两次分离沉积步骤，与单一真空环境下形成的更为理想的界面相比，这个界面的质量下降了。差的界面导致传感器的较低阻抗变化，在端部区域和传感器活跃区域连续自由层的应用使对这些区域不能使用单独的和不同的铁磁材料。某些情况下，利用不同的镍—铁结构使交互范围最大，在端部区域比在中央区域更有优势。某些情况下，铁磁材料具有不同的厚度(或不同的净磁矩)，端部区域比中央区域也可能具有优势。
上述描述的实施例是对用在磁记录系统中的SV传感器而言的，例如磁盘驱动器，然而，本发明的SV元件也适用于在磁随机存储系统中使用。在这个实施例中，SV元件起一个位元的作用，自由层和固定层的磁化将沿逆平行而不是垂直方向排列。
根据本发明提供的旋转阀结构的最佳实施例示于图5，象图4现有技术传感器一样，图5所示的SV传感器60是从磁媒体，如磁盘16看上去的样子。在衬底61上形成一层作为缓冲层62的钽(Ta)，接着在缓冲层上形成一层镍—铁自由铁磁层，再接着是铜间隔层。自由层中的镍—铁的成分在Ni80Fe20至Ni85Fe15范围之间。在间隔层65上形成一层铁—锰反铁磁层70，接着是铁—锰反铁磁层66，以与铁—锰固定层70交互耦合。在铁—锰层66上形成一个覆盖层67。在没有外部磁场作用时，自由层的磁化被定位在箭头64的方向。固定层70通过它与反铁磁层66的交互耦合将其磁化定位在箭头71(进入图5的纸内)的方向。层62、63、65、70、66和67有一个由边缘93、94限定的宽度，该宽度被选择为磁媒体需要的磁道宽度。由于这一宽度在微米(10,000埃)范围，而层的厚度在10—100埃范围，为了清楚地示出传感器薄膜，图5没有按比例示出。
在自由层的两侧形成一个镍—铁层90，并且紧靠边缘94，镍—铁层91在层90上构成并相接触，并与层90交互耦合，以使端部区域的镍—铁的磁化被大致保持在与箭头64平行的方向。因此，自由层63和层90的侧端或伸展部位构成了SV传感器的第一铁磁层。当存在来自磁媒体的磁场作用时，层63的磁化能自由地旋转，同时层90的端部区域大致保持固定。在层91上构成一层传导材料，作为SV传感器60的电接头。虽然在图5的实施例中自由层63比固定层70更靠近衬底61，但也可以采用相反的方式来构成SV传感器，即固定层更靠近衬底，在这种结构中，用于定位固定层70凳铁磁层66放在衬底61和固定层70之间。镍—锰下个月91和镍—铁层端部区域90也可以互换，使反铁磁层91先放，铁磁层90后放。
图5也示意性地示出了连接SV传感器和磁记录系统中的传感电路的装置。电接头92用于提供SV传感器60与电源82和传感装置84之间的电通路。当自由铁磁层63的磁化响应从磁记录媒体施加的磁信号而旋转时，该磁信号被检测电阻变化的传感装置所感应。
制造SV传感器60的步骤将结合附图6A—6D来进行描述。如图6A所示，在一次单一抽气过程中，将若干层第一次溅蚀放置在衬底61上。衬底61可以是玻璃、半导体材料或陶瓷材料，如用于传统滑块的三氧化二铝/碳化钛陶瓷材料。在衬底61上次序形成的薄膜包括一个50埃的钽底层或缓冲层62，一个60埃的强铁磁性铁—镍合金自由铁磁层63，一个25埃的铜间隔层65，一个80埃的强铁磁性铁—镍合金固定铁磁层70，一个用于定位固定层70的150埃的铁—锰交互偏置层，以及一个100埃的钛覆盖层67。
接着，如图6B所示，将光阻74布置在这些层上形成一个矩形区域，对些层进行离子研磨，对将光阻移走。
接着，如图6C所示，将光阻76布置在这些层上，其宽度相应于SV传感器需要的磁道宽度。光阻层75具有双层特性，并带有一个切槽，该切槽使端部区域金属层可以次序卸下，并使端部区域金属可以稍微超覆覆盖层67。
如图6D所示，这些层中没有被光阻75保护的其余部分被离子研磨侵蚀或移走。由于离子研磨的均匀性通常为10％，离子研磨的时间被选择为大于移走这些层所需总时间的10％。离子研磨侵蚀的终止点在衬底上，因此端部区域的所有材料都被移走。从图6D可以看出，为了移走端部区域中的所有材料，离子研磨要稍微深入到衬底61中。接着，如图6E所示，放置一层铁磁材料90，该材料通常为镍—铁合金，但不必与SV传感器的中央活跃区域中的镍—铁合金具有同样的成分，随后放置300埃的镍—锰合金作为交互偏置层91，再放置一系列层作为电接头层92。层92最好由一系列喷溅放置的钛、金和钛层构成。层90、91、92也覆盖电阻层75。铁磁自由层63是带有被隔开以形成SV传感器60的磁道宽度的边缘93、94的中央活跃感应区，层90被镀成一定的厚度，以使层90的净磁矩比自由层63的净磁矩大10—30％左右，因此，如果层90和层63是以同样的材料构成，那么层90的厚度应比层63厚约10—30％。反铁磁层91随后顺序码放到层90上，最好是在同样的抽真空程序下进行。
电阻层75随后被熔化，移动覆盖层并留下图6F所示的传感器结构。
层90也可以由不同于自由层63的铁磁材料构成，在一些应用中，自由层镍—铁结构对磁致伸缩来说是最佳的，但该结构不必对镍—锰交互结构最佳。在某些应用中，活跃区域中的自由层可以不是镍—铁，而是镍—铁/钴层状结构，在这种情况下，铁磁层90也不必是镍—铁/钴层状结构，而是可以采用镍—铁层。端部区域稳定的条件是端部区域铁磁层的净磁矩大于中央活跃区域的自由铁磁层的净磁矩或等于其10—30％。
纵向偏置SV传感器紧凑作法的优势，在于实施和材料上的灵活性。紧凑作法可以将传感器端部区域的所有层移去，并使铁磁层和交互层在一个次序真空周期内放置好。紧凑做法对铁磁层的厚度和材料进行修整，从而使铁磁/反铁磁层的交互强度最佳。
图6G是图6F沿G—G方向的俯视图，它示出了在衬底61上完整构成SV传感器60的方式，光阻层70(图6B)确定了传感器60的边缘100和101，光阻层75(图6E)确定了传感器60的边缘93和94，尾部或端部区域的顶层是层92，即接线材料层，传感器区域的顶层是层67，即覆盖曾层，在移走电阻层75后，传感器60通过在衬底上喷镀大约0.5微米的铝来密封。
铝密封传感器60随后被放在一个煅烧炉中，在有外部磁场的情况下被加热到大约240度，传感器在炉中的定位使得作用磁场位于箭头64(图5)所指的方向。镍—锰层91在室温下没有反铁磁性，但在加热时变为反铁磁，它的磁化按镍铁层90的磁化方向调准，而后者是按作用磁场来调准的。这一方向大致与自由层63的中央区域的磁化方向64平行。冷却后，镍—铁层91的磁化被永久性确定，并且在端部区域为层90提供反铁磁交互耦合，从而这些端部区域被永久性地磁化在箭头64所指的方向。
冷却后，传感器在同一煅烧炉中被旋转90度。与镍—锰不同的是，铁—锰层66溶敷时是反铁磁性的。然而，它的磁化必须重新调整，以便它能与固定层70耦合在合适的方向。将炉中的温度提高到大约180度，这一温度大于铁—锰的内尔温度，在该温度下，铁—锰不再是反铁磁的，并且没有磁化历史，从而当随后冷却时，它的磁化在适当的方向增长。由于作用的磁场被平行于固定层70的磁化方向定位，铁—锰层66的磁化也按该方向调准。来自煅烧炉的作用磁场将固定层70准备在合适的方向71(图5)，当随后冷却到铁—锰的内尔温度之下时，铁—锰的磁化按固定层70的磁化方向调准，结果铁—锰层66构成了反铁磁交互耦合层，以固定固定层70的磁化方向。因此，在存在感应磁场作用时，固定层70的磁化不会旋转。由于镍—锰的内尔温度大约为450度，远远大于铁—锰的160度内尔温度，镍—锰层91的磁化方向将不会受到影响，并保持与镍—铁层90和63的磁化方向平行。
虽然本发明是结合最佳实施例来进行描述的，但本领域的技术人员会理解到，在不脱离本发明精神的前提下，可以进行许多形式和细节上的变化，因此，所以开的发明以权利要求限定的保护范围为准。