專利名稱：多層鐵硅鋁磁合金膜以及鐵硅鋁磁合金籽晶層的制作方法
概括地說，本發(fā)明涉及磁阻式讀取、感應(yīng)式寫入的磁換能器;更確切說，本發(fā)明涉及層疊狀鐵硅鋁磁合金膜以及制造這種適合用在磁換能器中作為屏蔽片和極片的膜的過程。
在磁記錄行業(yè)，受增加記錄密度這一動機的驅(qū)使，要求磁性存儲介質(zhì)具有更窄的數(shù)據(jù)記錄磁跡、更小的磁跡間距即每英寸上有更多的磁跡、以及沿著數(shù)據(jù)磁跡有更大的線性記錄密度。結(jié)果，記錄密度的增加給用于記錄(寫入)和讀取所記錄信息的裝置提出了更多的要求。隨著記錄密度容量的增加，磁介質(zhì)趨向于需要更大的磁場強度以完成數(shù)據(jù)的記錄，類似地，讀取換能器要求有更高的靈敏度、減小的噪聲干擾及串音干擾。目前，能滿足這些要求的最可能的裝置就是含有感應(yīng)式寫入頭和磁阻(MR)式讀取傳感器或頭的磁換能器。
對于一個MR讀取頭來說，為了能夠從這樣高記錄密度的磁介質(zhì)上讀取所記錄的數(shù)據(jù)，MR傳感元件必須放在兩個磁屏蔽元件之間的間隙內(nèi)。例如在U.S.專利4，639，806中，Kira等人揭示了一種含一屏蔽的MR檢測元件的MR讀取頭，還揭示了所述的屏蔽元件可以由高導(dǎo)磁率的磁性材料制成，這些高導(dǎo)磁率的磁性材料例如為鎳鋅鐵(NiZnFe)合金、錳鋅鐵(MnZnFe)合金、一般稱為鐵硅鋁合金或稱之為坡莫合金的鎳鐵合金。
一般來說，在一個旋轉(zhuǎn)式剛性磁盤存儲系統(tǒng)中，讀/寫換能器被安裝在一個飛行滑塊的頂端，這個飛行滑塊支撐著換能器在磁盤表面上方十分接近磁介質(zhì)的位置上。各種換能器元件，例如，MR頭的MR傳感元件及其相關(guān)的屏蔽元件，感應(yīng)頭的磁極尖以及沉積在所形成的磁性間隙之間的非磁性材料都暴露在滑塊的空氣支承表面(ABS)上，所述ABS是經(jīng)嚴格設(shè)計且有嚴格的材料要求的。當所述滑塊遇到可能存在于磁盤表面上的粗糙不平處或雜質(zhì)時，暴露在ABS上的讀取頭和寫入頭會受到有形的損壞。
暴露在ABS上的MR頭的各種傳導(dǎo)性材料中，導(dǎo)前磁屏蔽元件存在著最嚴重的問題，因為所述屏蔽要有大體積的傳導(dǎo)材料，這些大體積的傳導(dǎo)材料很容易被劃傷或涂上臟物而形成導(dǎo)前屏蔽和MR傳感元件之間的短路路徑，由此可導(dǎo)致傳感器中的短路。
在感應(yīng)寫入頭中，以及設(shè)計成具有讀和寫功能的感應(yīng)頭中，形成用于感應(yīng)線圈的磁路的磁軛在滑塊的ABS上終止成一對相對的極尖，極尖之間形成有一個換能間隙。由于磁軛結(jié)構(gòu)的主體部分有較大尺寸，而極尖又相對較窄且薄，因此要求它用高飽和磁化強度和高導(dǎo)磁率的材料制成。如上面所述，由于極尖和間隙存在在感應(yīng)頭ABS中，那么，也要求極尖材料有足夠的硬度，以使由磁介質(zhì)表面的粗糙不平和雜質(zhì)所形成的污跡和劃傷減到最小。另外，由于磁軛的幾何形狀和磁頭結(jié)構(gòu)可允許磁軛的主體部分遠離ABS，這樣可避開ABS上的惡劣條件，因此，一般來說，僅僅對極尖材料要求有上述的能在ABS上耐用的性質(zhì)。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知使用鐵硅鋁磁合金未作為MR頭的導(dǎo)前屏蔽材料和感應(yīng)頭中的極尖材料。例如，在授予Bajorek等人的美國專利U.S4，918，554中揭示了制造一種屏蔽的MR傳感器的方法，該MR傳感器具有由鐵硅鋁磁合金構(gòu)成的導(dǎo)前屏蔽。類似地，授予Pisharody等人的美國專利U.S4，780，779中，揭示了一種在用于視頻記錄的感應(yīng)式磁頭中的層疊狀鐵硅鋁極尖結(jié)構(gòu)。鐵硅鋁磁合金(大約為9.6%Si和5.4%Al以及85%Fe)由于具有優(yōu)良的軟磁性、熱穩(wěn)定性、機械完整性、硬度，特別是塊狀鐵硅鋁合金，所以它總是優(yōu)選被選用，用在MR/感應(yīng)薄膜頭中作為屏蔽元件和極尖結(jié)構(gòu)，用在MIG鐵磁頭中作為核芯材料。另一方面，鐵硅鋁磁合金具有良好的各向異性以及所希望的機械性能，例如磁致伸縮性，所以難以加工。這一問題的各個方面已被加以研究并解決。例如，授予Sakakima等人的美國專利US4，897，318中就揭示了層疊結(jié)構(gòu)的FeSi合金和鐵硅鋁磁合金薄膜，其中，對所述鐵硅鋁磁合金的磁致伸縮系數(shù)加以控制是使其具有好的耐磨性和高的飽和磁化強度。日本專利申請No.1-342595，公開號No.3-203008(
公開日1991年9月4日)公開了一種層疊狀的鐵硅鋁磁合金結(jié)構(gòu)，一個鉻(Cr)籽晶層被用來使連續(xù)的鐵硅鋁層取向以具有改善的軟磁特征。歐洲專利No.0159028(B1)(于985年10月23日公開的歐洲申請No.85104637.5)說明了一種鐵硅鋁基合金薄膜，它被均勻地摻進了規(guī)定數(shù)量的氧(O)，具有改善的磁導(dǎo)率和硬度。
對于MR頭和感應(yīng)頭結(jié)構(gòu)來說，鐵硅鋁薄膜的特別重要的磁性質(zhì)，例如磁致伸縮性、各向異性場以及矯頑力都極大地依賴于鐵硅鋁材料的成分。應(yīng)用目前的淀積方法，只能在鐵硅鋁合金的一個相對較窄的成份范圍內(nèi)獲得良好的各向異性場和軟磁特征。
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一層疊狀的磁性鐵硅鋁合金結(jié)構(gòu)，其中，所述結(jié)構(gòu)的磁性質(zhì)可以在鐵硅鋁材料的一個相對較寬的范圍內(nèi)選擇優(yōu)化。
按照本發(fā)明的原理，一個多層薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例包括一個具有規(guī)定成份的鐵硅鋁合金薄的籽晶層，以及一個或多個連續(xù)淀積的塊狀鐵硅鋁合金材料層，對于每種組元，其成分能在一個相對較大范圍(重量百分比)內(nèi)變化。
按照本發(fā)明的多層薄膜鐵硅鋁結(jié)構(gòu)的第二個優(yōu)選產(chǎn)施例包括一個具有規(guī)定成分的籽晶層結(jié)構(gòu)，該籽晶層結(jié)構(gòu)由至少一個摻雜了氮(N2)的鐵硅鋁層和至少一個不摻雜的鐵硅鋁層交替構(gòu)成，以及淀積在所述籽晶層結(jié)構(gòu)上的整體(bulk)鐵硅鋁合金材料層。摻雜氮是這樣來進行的，即在淀積過程中，在氬(Ar)氣環(huán)境下周期性地引入局部壓力受控的N2。
在本發(fā)明的多層鐵硅鋁膜中使用籽晶層可以給其成分超出了現(xiàn)有技術(shù)中為獲得如下優(yōu)秀品質(zhì)的相對較窄范圍的整體(bulk)鐵硅鋁膜的改善的各向異性場和磁性質(zhì)。材料成分范圍的擴大可優(yōu)化鐵硅鋁結(jié)構(gòu)所希望的磁性質(zhì)，以與現(xiàn)有技術(shù)中的鐵硅鋁屏蔽結(jié)構(gòu)相比，在MR頭的使用中降低了屏蔽噪聲。另外，本發(fā)明的多層鐵硅鋁膜相對于現(xiàn)有技術(shù)中的鐵硅鋁材料和坡莫合金材料的感應(yīng)式寫入頭具有增加了的高頻性能和飽和感應(yīng)。
本發(fā)明上述的和其它的目的、特征及優(yōu)點從對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細說明中能易于現(xiàn)解，并且請參照附圖。附圖中同樣的標號指示同樣的元件。


圖1是本發(fā)明的磁盤存儲系統(tǒng)的簡化框圖;
圖2是示于圖1中的系統(tǒng)的磁盤驅(qū)動傳動器的透視圖，用以說明磁性換能器和磁性存儲介質(zhì)之間的關(guān)系;
圖3是圖2所示滑塊的尾端的正視圖，說明了磁性換能器在其上的位置;
圖4、5和6是本發(fā)明不同的優(yōu)選實施例中多層磁性結(jié)構(gòu)截面圖;
圖7A-7C是圖4的層疊狀多層鐵硅鋁膜的易磁化軸和難磁化軸上的BH環(huán)的曲線;
圖8A-8E是圖5和6的層疊狀多層鐵硅鋁膜的易磁化軸和難磁化軸上的BH環(huán)曲線;
圖9是與本發(fā)明多層磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的MR頭的空氣支承面的正視圖;
圖10是與本發(fā)明多層磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的感應(yīng)頭的截面圖;
圖11是與本發(fā)明的多層磁結(jié)構(gòu)結(jié)合的一個合MR一感應(yīng)頭的空氣支承面的正視圖。
盡管本發(fā)明是以圖1、2和3所示的磁盤存儲系統(tǒng)為例來說明的，但是，很顯然本發(fā)明可以應(yīng)用到其它的磁記錄系統(tǒng)中，例如磁帶記錄系統(tǒng)。至少一個可旋轉(zhuǎn)的磁盤12被放在軸14上并由磁盤驅(qū)動馬達18來轉(zhuǎn)動。在每個磁盤上的磁記錄介質(zhì)是由同心的數(shù)據(jù)磁跡形成的環(huán)狀記錄區(qū)。
至少一個滑塊13可在磁盤12上定位，每個滑塊13可支撐一個或多個磁性讀取/寫入頭21。當磁盤轉(zhuǎn)動時，滑塊13可以徑向地內(nèi)外移動，以使所述頭21可以接近含有數(shù)據(jù)的磁盤面22上的不同部分。每個滑塊13都附帶一個利用懸浮器15的傳動器支臂19。所述懸浮器15有輕微的彈性力，彈性力可使滑塊13偏向盤表面。每個傳動器支臂19都帶有一個傳動器裝置27。示于圖1中的傳動器裝置是一個音頻線圈馬達(VCM)，該VCM是一個在一固定磁場中可移動的線圈，線圈移動的方向和速度由所施加的電流來控制。
圖2是圖1所示盤存儲系統(tǒng)的透視圖，說明了為了使滑塊13及其相關(guān)的磁性換能器或頭21接近磁盤12上的數(shù)據(jù)磁跡，傳動器27的線性使用。在磁盤存儲系統(tǒng)的工作過程中，磁盤12的旋轉(zhuǎn)形成了在滑塊13與盤表面22之間的空氣擠壓。這種空氣擠壓可由懸浮器15的彈力來相互平衡，同時支撐彈性塊13的一個恒定的小間距在工作過程中飛行在盤片上方。
圖3是滑塊13的尾端33的正視圖，說明了滑塊的結(jié)構(gòu)以及換能器21在滑塊上的位置?；瑝K13的下表面支撐在磁盤12的上方，與磁盤面有十分接近的距離。滑塊的下表面被成型或機械加工成一種適當?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)以形成空氣支承面(ABS)，產(chǎn)生足夠的舉力或壓力分布以形成所希望的飛行特征。在典型的設(shè)計中，換能器21被放置在或用其它方法形成在滑塊的側(cè)面或尾端33上，在每個ABS導(dǎo)軌上，以便讀和寫傳感器能位于與磁盤表面發(fā)生換能關(guān)系的ABS上。每個換能器21包括一對或更多的輸出導(dǎo)體37和39，用于將電信號連到換能器21，或從換能器上送出去。
磁盤存儲系統(tǒng)的各個部分的工作由控制單元29所產(chǎn)生的信號來加以控制，例如存取控制信號和內(nèi)部時鐘信號，控制單元29包括邏輯控制電路、存儲裝置和微處理機。所述控制單元29產(chǎn)生控制信號去控制各種系統(tǒng)操作，例如在導(dǎo)線23上的馬達控制信號，在導(dǎo)線28上的磁頭定位控制信號。導(dǎo)線28上的控制信號提供了所希望的電流分布以便以一種最佳方式使一個所選擇的滑塊13移動和定位到所涉及磁盤12上的所希望的數(shù)據(jù)磁跡上?？衫靡粋€記錄通道25使讀和寫信號與讀/寫頭21進行交換。
上面說明的典型的磁盤存儲系統(tǒng)，以及圖1、2、3所說明的系統(tǒng)僅僅只是一種代表性說明。顯然，也可以包含含有大量磁盤和傳動器的磁盤存儲系統(tǒng)，并且每個傳動器可以支持多個滑塊。類似地，圖2說明的是線性傳動器的使用，而旋轉(zhuǎn)式傳動器也可與磁盤驅(qū)動系統(tǒng)一起使用，這是現(xiàn)有技術(shù)所公知的。
如前文所述，由于SiAlFe合金的優(yōu)秀的磁性質(zhì)和機械特征，在已被廣泛地選擇作為換能器中的某些元件的材料，并且選擇SiAlFe優(yōu)于選擇NiFe(坡莫合金)。鐵硅鋁合金被用于位于ABS上的某些元件的材料，主要是基于它的硬度。另外，由于需要更大的數(shù)據(jù)存儲密度，所以，對鐵硅鋁合金材料的磁性質(zhì)的優(yōu)化變得越來越重要。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與單層鐵硅鋁薄膜相比，多層鐵硅鋁薄膜具有大大地改善了的軟磁特征。
參照圖4，示出了按照本發(fā)明原理的多層鐵硅鋁膜的優(yōu)選實施例的截面圖。薄膜結(jié)構(gòu)40包括在基底41上的一個拋光的鋁基層42上交替疊放的鐵硅鋁層45和49及氣體摻雜的鐵硅鋁層43和47。在圖4的結(jié)構(gòu)中僅示出了2對層結(jié)構(gòu)，對于各種不同應(yīng)用，可以包括多于100對摻雜的鐵硅鋁/鐵硅鋁層結(jié)構(gòu)。
例如，1.9μm厚的鐵硅鋁膜在Perkin-Elmer4400濺射淀積系統(tǒng)中采用RF二極管濺射處理來制備。為了制備氮(N2)摻雜和空氣摻雜的膜，在淀積過程中，N2或空氣小的局部壓力以周期性的方式引入到氬處理氣體中。由于淀積態(tài)的鐵硅鋁膜不能展示換能器的應(yīng)用所需要的優(yōu)秀的軟磁性質(zhì)，所以如現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣，在膜淀積之后，該膜要在470℃下退火約4.5小時。表1示出了N2摻雜和空氣摻雜的多層膜的BH環(huán)的主要性質(zhì)與一般的單層鐵硅鋁膜的這些性質(zhì)的比較，在這些膜中，145A厚的鐵硅鋁層與16A厚的氣體摻雜鐵硅鋁層相比較。在表1中，Hch和Hce是難磁化軸和易磁化軸的矯頑力，MUi是初始導(dǎo)磁率、Br/Bs是殘余磁感應(yīng)與飽和磁感應(yīng)之比。
表1摻雜氣體Hce(Oe) Hch(Oe)MUi Br/BsN20.20 ＜0.01 6706 ＜0.01空氣0.140.02 61000.04無0.400.14 45000.42如表1所示，與一般的單層不摻雜的鐵硅鋁膜相比，氣體摻雜的多層鐵硅鋁膜具有明顯較低的Hce、Hch和Br/Bs值。圖7A、7B和7C分別是對N2摻雜、空氣摻雜和不摻雜的鐵硅鋁膜的易磁化軸71和難磁化軸73的BH環(huán)。當與不摻雜的鐵硅鋁膜的BH環(huán)作比較時，N2摻雜和空氣摻雜的鐵硅鋁多層膜的易磁化軸和難磁化軸上的BH環(huán)顯示出顯著的改善。
表1和圖7A、7B、7C中的數(shù)據(jù)是從這樣的鐵硅鋁膜中得出的，即合金成份為Si(9.6%)、Al(60%)、Fe(84.4%)(為重量百分比)。對摻雜N2的鐵硅鋁層而言，所使用的摻雜N2的局部壓力為7.0×10-4Torr，對摻雜空氣的鐵硅鋁層而言，空氣的局部壓為7.0×10-4Torr。所摻雜的頻率和周期是在濺射淀積過程中每120秒引入所述氣體20秒。
示于表1中和圖7A、7B和7C中的數(shù)據(jù)以及由氣體摻雜多層結(jié)構(gòu)技術(shù)所獲得的軟磁性能的改善對于用于獲取這些數(shù)據(jù)的其成份接近鐵硅鋁成份的合金來說是所預(yù)期的。所述氣體可以是空氣、N2、O2或H2O，或者N2、O2或H2O的任意組合。由空氣摻雜和N2摻雜的膜所得到的數(shù)據(jù)說明N2、N2/O2的及N2/O2/H2O氣體混合體正常產(chǎn)生相似的效應(yīng)，至少當N2是主要組分時是這樣。O2或H2O的存在對于優(yōu)化某一特定的磁性質(zhì)是有利的。為獲得所希望的軟磁性質(zhì)，氣體摻雜的鐵硅鋁層之厚度以及摻雜水平較好的為10-1，000
的范圍及1-10(原子)%，而不摻雜層的厚度范圍為20-10.000
。
上述參照圖4和7A-7C說明的氣體摻雜多層鐵硅鋁膜具有改善的磁性質(zhì)，所述鐵硅鋁合金具有成份為Si(7.5-13.0(重量)%)、Al(2.0-7.0(重量)%)，剩余的是Fe，薄膜鐵硅鋁的重要磁性質(zhì)，例如磁致伸縮性、各向異性場以及矯頑力都強烈地依賴于鐵硅鋁合金的成份。例如當鐵硅鋁膜具有成份或接近這一成份Si(9.6%)Al(5.4%)Fe(85.0%)(重量百分比)時，磁性質(zhì)可有明顯的改善。具有良好的各向異性場及軟磁性質(zhì)的鐵硅鋁膜只能在一個相對較窄的合金成份范圍內(nèi)獲得。
在本發(fā)明的第二個優(yōu)選實施例中，使用了鐵硅鋁籽晶層，這個鐵硅鋁籽晶層的成分不同于覆蓋在所述籽晶層上面的鐵硅鋁整體層的成份，所述籽晶層為整體層(bulklayer)鐵硅鋁提供了改善的各向異性場和軟磁性質(zhì)，所述整體層鐵硅鋁的成份超出了現(xiàn)有技術(shù)中能取得良好性質(zhì)的成份范圍，所以具有相對較寬的成份范圍。
現(xiàn)在參照圖5、6和8A-8E，圖5是按照本發(fā)明原理的第二個優(yōu)選實施例的多層鐵硅鋁膜截面圖。這個多層鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)50包括一個淀積在基底51的基層52上方的具有一個第一成份的鐵硅鋁合金籽晶層53。具有第二成份的鐵硅鋁整體層55被淀積在所述的籽晶層53上。所使用的鐵硅鋁合金鐵成份在這樣一個范圍內(nèi)，即Si(7.5-13.0(重量)%)Al(2.0-7.0(重量)%)，剩余的為Fe。例如，含籽晶層53和整體層55的多層結(jié)構(gòu)膜在一個Perkin-Elmer4400濺射淀積系統(tǒng)中利用RF二極管濺射方法沉積到基底51/52上。所述基底由一種陶瓷材料，即70%Al2O3-30%TiC，并且在該陶瓷材料上覆蓋3.5μm厚具有拋光面的濺射的Al基層52。結(jié)構(gòu)50的籽晶層53是利用兩個鐵硅鋁靶的共濺射來淀積成的，這兩個靶具有標稱的成份，即Si(9..6%)Al(6.0%)Fe(84.4%)(重量百分比)(成份A)。籽晶層53形成之后，整體層55從一個單獨的鐵硅鋁靶上淀積，并且不中斷真空室。對一組膜50而言，整體層55從具有標稱成份即Si(12.0%)Al(4.5%)Fe(83.5%)(重量百分比)(成份B)的鐵硅鋁靶上淀積而成。對于第二組膜50，整體層55從具有標稱成份為Si(11.5%)Al(5.0%)Fe(83.5%)(重量百分比)(成份C)的鐵硅鋁靶上淀積形成。另一種可能的方案是，所述籽晶層53能均勻地摻雜進一種氣體，例如N2或O2，只要在籽晶層53的淀積過程中將摻雜氣體引入到淀積環(huán)境中即可，如前文已講述的那樣。籽晶層53的厚度在100-800A的范圍內(nèi)。整體層55的厚度在0.3-10.0μm的范圍內(nèi)。在一個特別優(yōu)選的實施例中，多層膜50包括一個籽晶層53和淀積在籽晶層上面的整體層55，所述籽晶層53為厚度320A的鐵硅鋁層，其成份為成份A，在淀積過程中以7×10-4Torr的局部壓力均勻摻雜N2;整體層55是負入硅鋁層，其成份為成份B，厚度為1.85μm。淀積之后，該鐵硅鋁膜50在一磁場中N2氣氛下470℃退火4.5小時。
圖6是圖5所示的多層鐵硅鋁膜的另一個優(yōu)選實施例。該多層鐵硅鋁膜60包括一個具有第一成份的鐵硅鋁籽晶層63和一個淀積在所述籽晶層63的上具有一個第二成份的鐵硅鋁整體層65，其中，籽晶層63由如參照圖4所描述的交替迭放的氣體摻雜鐵硅鋁層67和鐵硅鋁層69構(gòu)成。例如，含一個籽晶層63和一個整體層65的鐵硅鋁膜被濺射淀積在基底61上的一個用于如圖5所示膜結(jié)構(gòu)的鋁基層62上。上述的N2摻雜方法用于形成所述籽晶層63，該籽晶層63具有交替的N2摻雜鐵硅鋁層和成份A的鐵硅鋁不摻雜層。N2摻雜層67為16 厚，而不摻雜鐵硅鋁層69為145 厚。在籽晶層63中，摻雜的和不摻雜的層的厚度都在10-2000 的范圍內(nèi)。
表Ⅱ列出了所選擇的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)50和60的主要磁性質(zhì)的值，這些所選擇的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)50和60具有成份B或C的鐵硅鋁整體層55、65以及成份A的鐵硅鋁籽晶層53.63。在表Ⅱ中，Hce和Hch是易磁化軸和難磁化軸的矯頑力。WUi和MUr是初始導(dǎo)磁率和剩余導(dǎo)磁率，Br/Bs是在難磁化軸上的剩余磁感應(yīng)與飽和磁感應(yīng)之比。以“N2”起頭的這一列規(guī)定是由N2摻雜層和不摻雜層交替構(gòu)成的籽晶層、一個單獨的均勻摻雜的籽晶層還是一個單獨的不摻雜層。表中也列出了所用的每種鐵硅鋁成份的無籽晶層的鐵硅鋁膜的性質(zhì)，以供比較。
Y＊交替的氣體摻雜和不摻雜層的籽晶層。
Y＊＊單一的、均勻的氣體摻雜層籽晶層。
對于第一組鐵硅鋁膜來說，即具有成份B的鐵硅鋁整體層55、65的膜結(jié)構(gòu)50、60，表Ⅱ顯示出具有籽晶層53，63的鐵硅鋁膜與不具有籽晶層的鐵硅鋁膜相比，具有好得多的各向異性性質(zhì)(較低的Hch和Br/Bs)以及軟磁性質(zhì)(較低的Hce和較高的MUi和MUr)。在具有籽晶層的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)中，在多層結(jié)構(gòu)中具有交替的N2摻雜的鐵硅鋁層67的籽晶層63與具有不摻雜的籽晶層的這些膜結(jié)構(gòu)相比，展示出更好的各向異性性質(zhì)。類似地，與具有不摻雜的籽晶層的膜結(jié)構(gòu)相比，具有單一的均勻摻雜的籽晶層的這些膜結(jié)構(gòu)展示出改善的各向異性性質(zhì)。對于均勻摻雜的籽晶層來說，顯然，所得到的各向異性性質(zhì)是籽晶層厚度的函數(shù)，在厚度為320 時可獲得Hch和Br/Bs的最小值。
圖8A、8B和8C是這樣一些鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)的易磁化軸81和難磁化軸83的曲線，這些鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)具有成份為成份B的鐵硅鋁整體層55、65，并且，其中一個膜結(jié)構(gòu)有800 厚的籽晶層53、一個膜結(jié)構(gòu)有800 厚的N2摻雜的籽晶層63，以及一個不具有籽晶層的膜結(jié)構(gòu)。具有籽晶層63的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)，其籽晶層63由交替著的N2摻雜鐵硅鋁67和不摻雜的鐵硅鋁63構(gòu)成，這種膜結(jié)構(gòu)提供了最全面的改善，例如，圖8B示出了難磁化軸的BH環(huán)實質(zhì)上是封閉的。
類似地，對于具有成份C的整體層55、65的第二組鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)來說，如表Ⅱ所示，均勻N2摻雜的或交替著的N2摻雜的籽晶層63均提供了極為改善的各向異性和軟磁性。例如，與無籽晶層的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)相比，Hch和Br/Bs之值要低得多。圖8D和8E是具有成份C的鐵硅鋁整體層的膜結(jié)構(gòu)的易磁化軸81和難磁化軸83的曲線，其中一種膜結(jié)構(gòu)有800
厚的N2摻雜籽晶層63，一種膜結(jié)構(gòu)無籽晶層。當比較圖8D和8E的難磁化軸83上的BH環(huán)曲線時，可清楚地看出N2摻參的籽晶層63使鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很強的各向異性這一效果。
最后的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)，即示于表Ⅱ中具有成份A的整體鐵硅鋁層但無籽晶層，展示了對于MR頭屏蔽的應(yīng)用來說所需要的可以接受的各向異性和軟磁性的值。通過比較可以看出，具有B成份且無籽晶層的鐵硅鋁膜展示出相對較差的各向異性，具有C成份且無籽晶層的鐵硅鋁膜展示出勉強可以接受的性質(zhì)。
對于成份為成份B和C的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)來說，一個籽晶層(為成份A的鐵硅鋁)的使用可以使膜結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的各向異性和軟磁性以應(yīng)用于MR頭中的屏蔽及感應(yīng)頭中的極尖材料。從而成份范圍接近于成份B和C的濺射靶上制成的膜結(jié)構(gòu)是特別希望的，因為這些成份使鐵硅鋁膜分別具有負的以及接近于零的磁致伸縮。而成份A的鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)無籽晶層時提供了滿意的各向異性和軟磁性，但這個膜結(jié)構(gòu)展示了正的磁致伸縮值。對于MR頭和感應(yīng)頭的應(yīng)用來說，負的或接近于零的磁致伸縮膜在它被拋光了以后，在頭ABS上需要保持最希望的磁疇結(jié)構(gòu)。
參照圖9，它是按照本發(fā)明原理的一個MR讀取傳感器或頭90與一個導(dǎo)前磁屏蔽的ABS的視圖。MR讀取頭結(jié)構(gòu)90包括一個第一屏蔽元件91，它由一個非導(dǎo)體層94(例如鋁層)從基底92上分隔開。基底92一般構(gòu)成滑塊的主體，所述滑塊在其尾端支撐MR頭，如圖3所示?？紤]到滑塊和磁性存儲介質(zhì)表面之間的相對運動，如圖中箭頭96所示，所述第一屏蔽91也被稱作導(dǎo)前屏蔽。一個第一非磁性間隙層98然后被淀積在所述第一屏蔽91上以作為一個基層，用于MR傳感器元件93的淀積。盡管所示出的MR傳感器元件只有一個單獨的層，但是對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員不難理解其它的層，例如使傳感器適當偏置的層也可以被包括在其中。MR傳感器元件與導(dǎo)電體95接觸，這個導(dǎo)電體95用一個第二非磁性間隙層99來與第二屏蔽元件97絕緣。然后，在頭結(jié)構(gòu)的尾端淀積上所希望厚度的保護層96。
所述第一屏蔽91收一個多層結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述多層薄膜結(jié)構(gòu)包括一個第一成份的鐵硅鋁籽晶層101和一個第二成份的鐵硅鋁整體層103，如圖5所示的那樣。另一種可選擇的方案是，所述籽晶層101由第一成份的氣體的摻雜鐵硅鋁層和所述第一成份的非摻雜的鐵硅層的多層結(jié)構(gòu)交替構(gòu)成，如圖4和圖6所示的那樣。由于對MR傳感器元件93來說，由所優(yōu)選的材料強制地加在MR頭結(jié)構(gòu)94上的關(guān)于溫度和其它處理方面的限制，一般來說，僅僅只有第一屏蔽91采用鐵硅鋁合金，而第二屏蔽將采用具有所需要的各向異性場和軟磁性的材料，例如坡莫合金。
現(xiàn)在參見圖10，它示出的是根據(jù)本發(fā)明原理的一個感應(yīng)頭10及磁極片的截面圖。所示的感應(yīng)頭10包括一個扁平導(dǎo)體線圈111，被放在兩個絕緣材料層113和115之間的橢園區(qū)內(nèi)，所述絕緣材料例如為AI。線圈111感應(yīng)地耦合在一個磁軛結(jié)構(gòu)117上，磁軛結(jié)構(gòu)117有兩個復(fù)合層，每個包括一極尖區(qū)和一個背區(qū)，并且具有一個背間隙區(qū)，與延伸通過線圈111(未示出)的所述兩層磁耦合。其中，下層有一個極尖部分119和背區(qū)121，上層有一個極尖部分123和一個背區(qū)125。在極尖區(qū)，磁軛層119、123由一個間隙材料層127分隔開，這個間隙材料層確定了換能間隙。磁軛層的平衡是用絕緣層113、115來隔離的，此外還有間隔材料層127，以及上、下磁軛層直接接觸處的背間隙區(qū)。
正如上面所討論的，為了滿足高密度記錄的要求，當與極尖119、123剩余部分以及遠離間隙區(qū)128的上、下背區(qū)層121、125相比時，在ABS上的間隙區(qū)128的極尖尺寸是相對較小的，以便使相對小量的磁性材料載帶磁通，這樣，磁軛結(jié)構(gòu)117的主體可以是任一種具有適當磁性質(zhì)的磁性材料，例如NiFe、NiFeCo或普通鐵，而在間隙128處的極尖區(qū)119、123部分則需要具有高飽和磁化強度的材料。另外，由于極尖部分暴露在ABS上，所以，用于極尖的材料必須處理成有足夠的硬度及其它的機械性質(zhì)，以使來自ABS環(huán)境的物理損傷消除或減到最小。在本發(fā)明的一個感應(yīng)頭的實施例中，磁軛結(jié)構(gòu)的極尖區(qū)119和121由一個多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這個多層結(jié)構(gòu)含交替的氣體摻雜鐵硅鋁層和不摻雜的鐵硅鋁層，如圖4所示。在感應(yīng)頭的另一個實施例中，磁軛結(jié)構(gòu)的極尖區(qū)119和123由一多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，這個多層結(jié)構(gòu)包括具有第一成份的鐵硅鋁籽晶層和第二成份的鐵硅鋁整體層，如圖5和6所示。所述籽晶層可以是一個單獨的鐵硅鋁層或者是由交替著的氣體摻雜鐵硅鋁層和不摻雜鐵硅鋁層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。
還有另外一種選擇方案，在感應(yīng)磁頭的另一個實施例中，背區(qū)層121、125和遠離ABS的極尖層119、123可以用適當?shù)拇判圆牧侠缙履辖鹬瞥桑挥斜┞对贏BS上的間隙區(qū)128上的極尖部分129、131由圖4、5、6所示的多層結(jié)構(gòu)鐵硅鋁制成。例如，極尖129和131可以由這樣一種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)有一個第一成份的鐵硅鋁籽晶層和一個第二成份的鐵硅鋁整體層，其中，籽晶層要么是一個單獨的鐵硅鋁層，要么是一個由氣體摻雜鐵硅鋁層和鐵硅鋁層交替著的多層結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參見圖11，所示出的是按照本發(fā)明原理的一個復(fù)合MR讀取/感應(yīng)寫入換能器130及多層鐵硅鋁膜結(jié)構(gòu)。如圖所示的一個復(fù)合的換能器必須由一個MR讀取頭和一個感應(yīng)寫入頭構(gòu)成，一個頭以這樣的方式位于另一個頭的頂端，即感應(yīng)頭的下部磁極片與MR頭的第二或上部磁屏蔽元件可以合并成一個單個的屏蔽元件。該復(fù)合的MR讀取/感應(yīng)寫入換能器結(jié)構(gòu)130含一個第一屏蔽元件131，它與基底132用一種非導(dǎo)體材料例如AI層134分隔開，基底132一般來說構(gòu)成滑塊的主體，該滑塊在其尾部支承著該換能器，如圖3所示。然后，一個第一非磁性間隙層139被淀積在第一屏蔽131上，以作為用于MR傳感器元件133的淀積的基層。盡管示于圖中的MR傳感順元件133具有一個單獨的層，但是對本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員來說其它的層，例如適當?shù)亟o傳感器加偏置的層也是可以包括在其中的。MR傳感器元件與一個導(dǎo)電體135接觸，該導(dǎo)電體135可利用一個第二磁間隙層141與第二屏蔽元件137絕緣。所述第二屏蔽元件137由單個元件構(gòu)成，該單個元件既作為MR傳感器元件133的上部屏蔽，又作為感應(yīng)寫入頭的下部極片。第二屏蔽元件137由具有合適的磁性和機械性質(zhì)的材料制成，例如NiFe，如現(xiàn)有技術(shù)所示的那樣。然后，一個非磁性間隙材料層和具有極尖143的上部極片被淀積在下部極片上并且利用離子束研磨或其它合適的處理方法加工成所希望的尺寸以形成磁間隙145。上部極片(未示出)的感應(yīng)線圈和其余部分如現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣去制造。保護層136以所希望的厚度然后被淀積在換能器結(jié)構(gòu)的尾端。
導(dǎo)前(考慮到換能器和存儲介質(zhì)之間的相對運動，由箭頭138所示)的第一屏蔽131由一多層薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該多層薄膜結(jié)構(gòu)包括一個第一成份和鐵硅鋁籽晶層149和一個第二成份的鐵硅鋁整體層151，如圖5所示。另外，所述籽晶層149可由第一成份的氣體摻雜鐵硅鋁層153和第一成份的不摻雜的鐵硅鋁層155交替著的多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖5和6所示。
參照本發(fā)明的優(yōu)選產(chǎn)施例已對本發(fā)明作了具體說明，然而本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員將能理解各種不離開本發(fā)明精神的變型。因此，這里所揭示的本發(fā)明僅僅是對本申請權(quán)利要求的具體說明。
權(quán)利要求
1.一層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于它由摻雜了所選擇的氣體的鐵硅鋁(SiAlFe)合金第一層和所述的鐵硅鋁合金第二層構(gòu)成，所述第一層和第二層交替層迭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一層的厚度在大約10
到大約1000
的范圍內(nèi)，所述第二層的厚度在大約20
到大約10000
的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的所選擇氣體是從氮氣N2、氧氣O2、水蒸氣H2O、空氣以及N2O與O2和O2/H2O的混合的混合物中選出的一種氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的SiAlFe合金是具有這樣一種成份的合金，即按重量百分比為75-13.0%Si、2.0-7.0%Al，其余為Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述SiAlFe合金的所述第一層摻雜有所選擇的氣體，氣體摻雜的濃度為1-10(原子)%的范圍。
6.一層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一個第一層，形成具有一第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金籽晶層;一個第二層，形成具有一第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金整體層，所述第二層形成在所述第一層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述籽晶層具有在100 -800 范圍內(nèi)的一個厚度，所述整體層具有在0.3-100μm范圍內(nèi)的一個厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述籽晶層包含一層均勻摻雜了所選擇的氣體的所述SiAlFe合金層。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的層疊狀磁性結(jié)構(gòu)，其特征在于所述整體層包含一種SiAlFe合金，該合金具有接近于零或負的磁致伸縮。
10.制造一層疊狀磁性結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于包括如下步驟形成一個第一層，該第一層構(gòu)成具有第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金的籽晶層;形成一個第二層，該第二層構(gòu)成具有一第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金的整體層，所述第二層形成在所述第一層的上面。
11.一種屏蔽的磁阻傳感器，其特征在于包括一個第一磁屏蔽元件，它由具有第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金的籽晶層和具有第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金的整體層構(gòu)成，所述整體層形成在所述籽晶層的上面;一個適當?shù)碾娊^緣材料第一層，形成在所述屏蔽元件上;一磁性材料的磁阻傳感元件，形成在所述的第一絕緣層上;一個適當?shù)碾娊^緣材料的第二層，形成在所述磁阻傳感元件上;以及一個適當?shù)能洿挪牧系牡诙牌帘卧?，形成在所述的第二絕緣層上。
12.一種感應(yīng)式磁性換能器，其特征在于包括一個第一磁極片;一個磁性絕緣層，形成在所述第一磁極片上并構(gòu)成一磁性間隙層;一個第二磁極片，它與所述第一磁極片形成一個磁路，所述第一和第二磁極片的每一個都有一個極尖區(qū)，它們由所述磁間隙層分隔開并相對著，所述磁間隙層淀積在兩個極尖區(qū)之間形成磁間隙;以及傳導(dǎo)線圈，形成在所述第一和第二磁極片之間，與所述磁路感應(yīng)式耦合;每個所述第一和第二極片的極尖是多層結(jié)構(gòu)，包括具有第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金的一籽晶層;以及具有第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金的一整體層，所述整體層形成在所述籽晶層上。
13.一種復(fù)合的磁阻式讀取/感應(yīng)式寫入的換能器，其特征在于包括一個第一磁屏蔽元件，由第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金籽晶層和第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金整體層構(gòu)成，所述整體層形成在所述粒晶層上;一適當?shù)碾娊^緣材料的第一絕緣層，形成在所述第一屏蔽元件上;一磁性材料的磁阻傳感元件形成在所述第一絕緣層上;一適當?shù)碾娊^緣材料的第二絕緣層，形成在所述磁阻傳感元件上;一種適當?shù)能洿挪牧闲纬傻囊坏诙牌帘卧纬稍谒龅诙^緣層上，所述第二磁屏蔽元件也形成一個第一磁極片;一個磁絕緣層形成在所述第二磁屏蔽元件的頂側(cè)并構(gòu)成一磁間隙層;一個第二磁極片與所述第二磁屏蔽元件形成一個磁路，所述第二磁極片具有一個極尖與第一磁極片相對并分隔開，所述磁間隙層淀積在兩個磁極尖之間形成一磁間隙;以及傳導(dǎo)線圈，形成在所述磁間隙層上，在所述第二屏蔽元件和所述第二磁極片之間，所述傳導(dǎo)線圈與所述磁路感應(yīng)式耦合。
14.一個磁性存儲系統(tǒng)，包括一磁性存儲介質(zhì)，具有多個數(shù)據(jù)磁極用于數(shù)據(jù)記錄;以及一個磁性換能器，在所述磁性換能器和所述磁性存儲介質(zhì)相對運動的過程中，所述磁性換能器保持著與磁性存儲介質(zhì)十分接近的位置，所述磁性換能器包括一個屏蔽的磁阻傳感器，該傳感器的特征在于包括一個第一磁性屏蔽元件，它由具有第一成份的第一鐵硅鋁(SiAlFe)合金的籽晶層以及具有第二成份的第二鐵硅鋁(SiAlFe)合金的整體層構(gòu)成，所述整體層形成在預(yù)述籽晶層上;一個適當?shù)碾娊^緣材料的第一絕緣層，形成在所述第一屏蔽元件上;一個磁阻材料的磁阻傳感元件，形成在所述第一絕緣層上;一個適當?shù)碾娊^緣材料的第二絕緣層，形成在所述的磁阻傳感元件上;一個適當?shù)能洿挪牧系牡诙牌帘卧?，形成在所述的第二絕緣材料上;傳動器裝置，與所述磁性換能器耦合，用于使所述磁性換能器移向所述磁性存儲介質(zhì)上所選擇的磁跡上的數(shù)據(jù);以及檢測裝置，與所述的屏蔽式磁阻傳感器耦合，用于通過所述磁阻傳感器檢測在所述磁阻材料中響應(yīng)于在所述磁存儲介質(zhì)中記錄的數(shù)據(jù)比特所表征的磁場的磁阻變化。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于磁屏蔽和磁極尖的具有優(yōu)化了的磁性質(zhì)和機械性質(zhì)的層疊狀SiAlFe合金膜。一個由第一鐵硅鋁合金的籽晶層和形成在籽晶層上面的第二鐵硅鋁合金的整體層構(gòu)成的多層磁性結(jié)構(gòu)在用于整體層的鐵硅鋁合金的相對較寬的成分范圍內(nèi)提供了改善的各向異性場和軟磁特征。所述籽晶層可以是一個單層，或者也可以是由氣體摻雜鐵硅鋁材料層和不摻雜的鐵硅鋁材料層交替形成的多層結(jié)構(gòu)。即摻雜的氣體例如是N
文檔編號G11B5/31GK1094834SQ9410068
公開日1994年11月9日 申請日期1994年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月15日
發(fā)明者瓊·D·威斯特伍德 申請人:國際商業(yè)機械公司