磁极,具有该磁极的磁写头,及其制造方法

专利名称：磁极,具有该磁极的磁写头,及其制造方法
技术领域：
本发明涉及磁数据记录，尤其涉及制造垂直磁写头中非常窄道宽的写极的方法。
背景技术：
计算机长期存储器的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形磁道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。悬臂偏置滑块朝向盘的表面，当盘旋转时，邻近盘的空气与盘表面一起移动。滑块在该移动空气的垫上飞行于盘表面之上。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁转变到旋转盘且从旋转盘读取磁转变。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头传统上包括嵌在一个或更多绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，极片层在背间隙(back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其导致磁场在ABS处在写间隙弥散出来，用于在移动介质上磁道中写上述磁转变，例如在上述旋转盘上环形磁道中。
在近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文中称为间隔层(spacer layer)的非磁导电层，其夹在下文中称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩位于平行于ABS但可以响应于外磁场而自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合来被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此设置，部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。当被钉扎层和自由层的磁化相对于彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的角度。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测到并作为重放信号(playback signal)处理。
自旋阀传感器位于第一和第二非磁的电绝缘读间隙层之间，第一和第二读间隙层位于铁磁性的第一和第二屏蔽层之间。在合并式(merged)磁头中，单个铁磁层作为读头的第二屏蔽层且作为写头的第一极片层。在背负式(piggyback)头中，第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
为了满足日益增长的对改善的数据速率和数据容量的需求，研究者近来已经将它们的努力集中到垂直记录系统的开发。垂直磁写头包括磁写极和返回极，写极和返回极在离开写间隙的位置磁连接。来自写极的写场沿基本垂直于磁介质的方向将磁位写到磁介质上。由于写极的宽度决定写到磁介质的信号的道宽(track width)，所以希望尽可能地缩小该写极宽度。然而，写极可以减小的量已经受到当前制造工艺的限制。写极这样来构造以全膜沉积磁写极材料；在该写极材料之上形成硬掩模；然后进行离子研磨从而去除写极的未被硬掩模覆盖的部分。
该减法(subtractive)制造工艺对于最小化可以制造的写极道宽具有限制。因此，需要一种方法，其能够制造具有所需的狭窄道宽的磁写极。这样的方法将还将优选地能够严格控制临界尺寸(critical dimension)，并能够制造具有所需的梯形形状的写极，该梯形形状具有良好控制的侧壁角度。

发明内容
本发明提供一种用于制造垂直磁写头中的磁写极的方法。该方法允许写极以非常窄的道宽和良好控制的临界尺寸来构建。籽层沉积在衬底之上，然后沉积光致抗蚀剂层。光致抗蚀剂然后被光刻地曝光和显影从而在光致抗蚀剂层中形成开口。然后磁材料可以通过电镀沉积到该开口中从而形成写极。
写极形成之后，光致抗蚀剂层可以去除并且可以进行离子研磨从而去除籽层的未被写极覆盖的部分。
为了进一步减小写极的宽度，沉积磁材料之前可以沉积化学收缩材料(chemical shrink material)到光致抗蚀剂层中的开口中。化学收缩材料和光致抗蚀剂可被烘焙从而使化学收缩材料的一部分结合到光致抗蚀剂材料。这窄化了开口，与仅光刻构图光致抗蚀剂层能够构建的极相比，允许构建更窄的极。
进一步减小写极道宽的另一方法是在光致抗蚀剂掩模中的开口中的磁材料之上沉积非磁硬掩模。然后可去除光致抗蚀剂掩模，并且可以进行离子研磨或反应离子研磨从而从写极侧部去除材料，写极顶部(或前边缘)由硬掩模保护。
与以前的方法能够构建的写极相比，本发明有利地允许以更窄的道宽构建写极。另外，临界尺寸例如道宽、前边缘宽度、前边缘与尾边缘之间的距离、以及侧壁角度可以精细地控制。
本发明的这些和其它特征和优点将通过阅读结合附图的优选实施例的详细说明而明显，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。


为了充分理解本发明的本质和优点以及应用的优选方式，应当参照下面结合附图阅读的详细说明，附图不是按比例的。附图中图1是其中可实施本发明的盘驱动系统的示意图；图2是从图1的线2-2截取的滑块的ABS视图，示出了其上磁头的位置；图3是磁头的从图2的线3-3截取，放大，并逆时针转动90度的横截面图，示出了结合进垂直磁写头中的本发明的实施例；图4是图3的磁写头的ABS视图；图5-8是部分磁写头在各中间制造阶段中的ABS视图，示出了根据本发明一实施例制造磁写极的方法；图9-11是ABS视图，示出了根据本发明的供选实施例制造磁写极的方法；图12-13是ABS视图，示出了根据本发明另一实施例制造磁写极的方法。
具体实施例方式
下面的说明是目前想到的实施本发明的优选方式。进行该说明是用于说明本发明的一般原理的目的，而不是意图限制这里要求保护的发明性构思。
现在参照图1，示出了实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转的磁盘112支承在主轴(spindle)114上且通过盘驱动器马达118旋转。每个盘上的磁记录是该磁盘112上的同心数据道(未示出)的环形图案形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支持一个或更多磁头组件121。当磁盘旋转时，滑块113在磁盘表面122之上径向进出移动，从而磁头组件121可以存取写有所需数据的磁盘的不同道。每个滑块113借助悬臂115连到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，该弹力偏置滑块113倚着盘表面122。每个致动器臂119连到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括在固定磁场中可移动的线圈，该线圈移动的方向和速度通过控制器129提供的马达电流信号所控制。
盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生对滑块施加向上的力或举力的气垫(air bearing)。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂115的轻微的弹力，并且支持滑块113离开盘表面并且以小的基本恒定的距离稍微位于盘表面之上。
盘存储系统的各种组元在运行中由控制单元129产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile)，从而优化地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据道。写和读信号借助记录通道125传达到和读出自写和读头121。
参照图2，滑块113中磁头121的取向可以更详细地被观察。图2是滑块113的ABS视图，可以看出包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的尾缘(trailing edge)。常见磁盘存储系统的上述说明以及图1的图示仅是示例性的。应显然地，盘存储系统可包括多个盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。
现在参照图3，示出用于在垂直磁记录系统中使用的磁头121。头121包括写元件302和读元件304，读元件304包括磁致电阻读传感器305。传感器305可以是例如面内电流巨磁致电阻传感器(CIP GMR)、电流垂直平面巨磁致电阻传感器(CPP GMR)、或隧道结传感器(TMR)。传感器305位于第一和第二磁屏蔽件306、308之间且嵌在电介质材料307中。可以由例如CoFe、NiFe或铁硅铝合金(sendust)构成的磁屏蔽件吸收磁场，例如来自上道(up-track)或下道(down-track)数据信号的磁场，确保读传感器305仅检测位于屏蔽件306、308之间的所需数据道。非磁电绝缘间隙层309可设置在屏蔽件308和写头302之间。如果传感器305是CIP GMR传感器，则该传感器将从屏蔽件306、308绝缘，如图3所示。然而，如果传感器305是CPP GMR传感器或TMR传感器，则，传感器305的顶和底部可接触屏蔽件306、308从而屏蔽件可用作向传感器305提供检测电流的导电引线。
继续参照图3，写元件302包括写极310，其与磁成形层312磁连接且嵌入在绝缘材料311中。写极310在气垫面具有小横截面且由磁材料构成。写头302还包括返回极314，其由诸如NiFe或CoFe的磁材料构成且具有比写极310显著更大的平行于ABS面的横截面，这参照图4可以看出。返回极314通过背间隙部分316与成形层312和写极310磁连接，如图3所示。返回极314和背间隙316可由例如NiFe、CoFe或某些其他磁材料构成。
如图3中的横截面所示，导电写线圈317在成形层312和返回极314之间穿过写元件302。写线圈317由非磁电绝缘材料例如硬烘焙光致抗蚀剂或氧化铝(线圈绝缘层319)包围。绝缘层319可由单绝缘材料构成或者可以是相同或不同材料的数层。由例如氧化铝构成的硬的电绝缘保护层322可设置在头121顶上以保护头免于腐蚀、磨损等的损伤。
当电流经过线圈317时，所得磁场导致磁通流过返回极314、背间隙316、成形层312和写极310。该磁通导致写场朝向相邻磁介质(未示出)发射。从写极310发射的磁场磁化磁介质上的较高矫顽力的、薄的顶磁层。该磁场经磁介质的软磁衬层行进到返回极314，在那里它充分展开从而不擦除写极310写入的信号。
参考图4，写极310具有第一和第二侧面402和404、前边缘406和尾边缘408。前边缘406和尾边缘408每个从第一侧面402延伸到第二层面404。写极310优选地构造为具有梯形或楔形(tapered)形状，使得侧面402、404之间的距离在尾边缘408处比在前边缘406处大。侧面402、404相对于水平、或相对于衬底的其上形成写极310的表面(即绝缘层319)优选地形成约80至82度的角。写极的最窄部分(前边缘406)优选地具有约100nm或更小的宽度。写极310在其尾边缘408具有定义传感器道宽的宽度TW。道宽TW可以是90-180nm或优选地160nm或更小。从前边缘406至尾边缘408的距离可以为约200nm。写极310可以由几种磁材料构成，但优选地由磁层的叠层例如由薄的非磁层如Cu或Ru分隔开的CoFe构成。也可以使用其它材料。
现在参考图5-8，描述制造这样的写头310的方法。具体参照图5，提供衬底502。衬底可以包括绝缘层319及成形层312(图3)，两者已被平坦化(例如通过化学机械抛光)从而形成光滑的共面表面。例如通过溅射沉积来沉积导电籽层504例如Rh。抗蚀剂层506然后沉积在籽层504上。抗蚀剂506优选地是通过旋涂施加的定角光致抗蚀剂(fixed angle photo resist)。
然后，参照图6，抗蚀剂层506被光刻曝光和显影从而构图具有倾斜侧壁604的开口602。抗蚀剂506优选为深紫外(DUV)敏感抗蚀剂，用来可靠地形成侧壁604，侧壁604定义相对于水平即相对于衬底502的表面、和/或籽层504的78-82度的角。
现在参照图7，磁材料可以利用籽层504作为电镀籽层通过电镀沉积，从而形成写极310。写极310可以通过交替地沉积磁材料例如CoFe的层和非磁材料例如Ru或Cu的层来形成。然后，参照图8，可以例如通过化学顶离(lift-off)工艺去除(剥离)抗蚀剂层506。然后可以进行材料去除工艺802例如离子研磨从而去除籽层504的未被写极310保护的部分。
现在参照图9-11，描述用于构建极310的供选方法。具体参照图9，如前参照图6所述地构图和显影抗蚀剂层506。然后，沉积化学收缩材料(chemical shrink material)902。化学收缩材料902可以通过旋涂设备施加并且被烘焙。从图10可见，烘焙工艺使收缩材料与原始光致抗蚀剂506中残留的酸交联，生长表皮(skin)1002。如果需要构图的抗蚀剂可以被毯式(blanket)曝光以产生更多的酸从而引起收缩材料902和抗蚀剂506之间的更多交联(cross link)。可以使用水漂洗来去除未与抗蚀剂506结合的剩余的(未交联的)收缩材料902，留下表皮1002。这导致较窄的开口。然后，参照图11，磁写极材料可以通过电镀沉积从而形成写极310。如上所述，收缩材料的交联的表皮1002导致较窄的开口，由此得到较窄的镀的写极310。写极310形成之后，抗蚀剂506和收缩材料表皮1002可以通过化学顶离去除并可以如图8所述地进行离子研磨从而去除籽层。
可以使用至少两类收缩材料902和相关工艺。例如，收缩材料可以是如上所述的与下面的抗蚀剂506的表面反应的聚合物。曝光抗蚀剂产生酸并引起聚合物收缩材料902与该酸反应从而根据工艺结合到抗蚀剂上至所需厚度。这可以特征化为聚合物生长(Polymer Growth)。
另一类型的收缩材料902使用更多机械工艺。在该情况中，涂覆的收缩材料在被烘焙时硬化并产生抗蚀剂图案的阴像(negative image)。该顶部涂覆(烘焙的收缩材料902)在晶片的平面中比在垂直(法线)方向收缩得更快。随着它继续变热，抗蚀剂熔化并回流。回流的抗蚀剂506在晶片的平面中扩展(即在水平或x/y维度)从而减轻烘焙的收缩材料902诱发的应力。该机制可以称为受控抗蚀剂回流(Controlled Resist Reflow)。
现在参照图12和13，另一方法可以用于制造具有非常窄的道宽和良好控制的临界尺寸的写极。具体参照图12，光致抗蚀剂框架(frame)506如前面图6所述地形成。然后可以电镀磁写极材料从而形成写极310。然后可以优选地也通过电镀在写极310之上沉积硬掩模层1202。用于硬掩模1202的合适材料是非磁材料，该非磁材料耐离子研磨并可以通过电镀沉积。硬掩模1202因而可以由例如Rh、Ir或某些其它金属构成。
参照图13，例如通过化学顶离去除光致抗蚀剂框架506。进行离子研磨1302以去除写极310的侧部，写极310的顶部(尾边缘)由硬掩模1202保护。离子研磨1302还去除籽层504的未被写极310覆盖的部分。如果硬掩模不存在，则离子研磨1302将减小写极310的厚度(即图13所示的高度)，并还将引起不期望的写极310的顶部或前边缘的圆化。尽管离子研磨1302会导致硬掩模1202的圆化或消耗，但因为硬掩模层1202是非磁的，所以硬掩模1202的消耗和圆化将不会影响写头310的性能。
离子研磨1302有利地从写极310的侧部去除了材料，窄化了写极的道宽。各种离子研磨工艺可以用来优化道宽减小。例如，离子研磨1302可以是成角度的离子研磨(即不垂直于衬底表面)或扫描(sweeping)离子研磨。也可以使用反应离子研磨。离子研磨1302完成之后，例如氧化铝的绝缘层(图3未示出)可以沉积从而保护写极310。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应理解，他们仅以示例的方式给出，而不是用于限制。落入本发明范围内的其他实施例也会对本领域技术人员变得显然。因此，本发明的广度和范围不应局限于任何上述示例性实施例，而是应仅根据所附权利要求及其等价物来定义。
权利要求
1.一种制造垂直磁写头的磁极的方法，该方法包括提供衬底；在所述衬底上沉积导电籽层；在所述籽层上沉积光致抗蚀剂材料层；光刻地曝光和显影所述光致抗蚀剂材料从而在所述光致抗蚀剂材料中形成开口；以及电镀磁材料到所述光致抗蚀剂材料中的开口中从而形成写极。
2.如权利要求1所述的方法，在电镀磁材料到所述光致抗蚀剂材料中的开口中之后，还包括去除所述光致抗蚀剂材料；及去除所述籽层的未被所述写极覆盖的部分。
3.如权利要求1所述的方法，在电镀磁材料到所述光致抗蚀剂材料中的开口中之后，还包括去除所述光致抗蚀剂材料；及进行离子研磨从而去除所述导电籽层的未被所述写极保护的部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂层是定角光致抗蚀剂。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述导电籽层是非磁材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述导电籽层包括Rh。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述光致抗蚀剂是定角光致抗蚀剂，且所述光刻地曝光和显影在所述光致抗蚀剂材料中产生开口或槽，所述开口或槽具有相对于所述衬底定义78-82度角的侧壁。
8.如权利要求1所述的方法，其中电镀磁材料包括电镀磁和非磁材料的交替层。
9.一种制造用于垂直磁数据记录的磁写头的方法，该方法包括提供衬底；在所述衬底上沉积导电籽层；沉积光致抗蚀剂材料；光刻地曝光和显影所述光致抗蚀剂材料从而在所述光致抗蚀剂材料中形成开口；沉积化学收缩材料；烘焙所述光致抗蚀剂材料从而使所述收缩材料的部分与所述光致抗蚀剂材料结合；去除所述化学收缩材料的未结合部分并留下所述化学收缩材料的已经结合到所述光致抗蚀剂材料的部分；及电镀磁材料到所述光致抗蚀剂材料中的开口中从而形成写极。
10.如权利要求9所述的方法，在电镀磁材料到所述光致抗蚀剂材料中的开口中之后，还包括去除所述光致抗蚀剂材料和化学收缩材料；及进行离子研磨从而去除所述籽层的未被所述写极覆盖的部分。
11.如权利要求9所述的方法，其中去除所述化学收缩材料的未结合部分包括在水中漂洗。
12.如权利要求9所述的方法，还包括毯式曝光所述光致抗蚀剂从而产生酸以用于增加所述化学收缩材料与光致抗蚀剂之间的结合。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述光致抗蚀剂是定角光致抗蚀剂，且其中所述曝光和显影在所述光致抗蚀剂中产生开口，所述开口具有相对于所述衬底定义78-82度角的侧壁。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述导电籽层是非磁的。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述导电籽层包括Rh。
16.一种制造用于垂直磁记录的磁写头的方法，该方法包括提供衬底；在所述衬底上沉积导电籽层；在所述导电籽层上沉积光致抗蚀剂材料；光刻地曝光和显影所述光致抗蚀剂层从而在所述光致抗蚀剂层中形成开口；电镀磁材料到所述光致抗蚀剂层中的开口中从而形成写极；在所述写极上沉积非磁硬掩模；去除所述光致抗蚀剂；及进行离子研磨来去除所述写极的侧部分从而减小所述写极的宽度。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述离子研磨还去除所述导电籽层的未被所述写极保护的部分。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述离子研磨相对于所述衬底以一角度执行。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述离子研磨是扫描离子研磨。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述离子研磨是反应离子研磨。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述硬掩模包括Rh。
22.如权利要求16所述的方法，其中所述硬掩模包括Ir。
23.一种用于垂直磁记录的磁写头，所述写头包括磁写极，具有暴露于气垫面ABS的极尖；第一和第二横向相对的侧面，形成在所述写极上并基本垂直于所述ABS取向；前边缘，形成在所述写极上，基本垂直于所述ABS取向并从所述第一侧面延伸到所述第二侧面；及尾边缘，形成在所述写极上，基本垂直于所述ABS取向并从所述第一侧面延伸到所述第二侧面，在所述前边缘处所述第一和第二侧面之间的距离小于在所述尾边缘处所述第一和第二侧面之间的距离，且其中在所述前边缘处所述第一和第二侧面之间的距离不大于100nm。
24.一种用于垂直磁记录的磁写头，所述写头包括磁写极，具有暴露于气垫面ABS的极尖；第一和第二横向相对的侧面，形成在所述写极上并基本垂直于所述ABS取向；前边缘，形成在所述写极上，基本垂直于所述ABS取向并从所述第一侧面延伸到所述第二侧面；及尾边缘，形成在所述写极上，基本垂直于所述ABS取向并从所述第一侧面延伸到所述第二侧面，在所述前边缘处所述第一和第二侧面之间的距离小于在所述尾边缘处所述第一和第二侧面之间的距离，且其中在所述尾边缘处所述第一和第二侧面之间的距离不大于160nm。
全文摘要
本发明提供一种制造用于垂直磁记录的具有写极的磁写头的方法，所述写极具有非常窄的道宽和良好控制的临界尺寸。写极通过以下工艺形成。在所述衬底上沉积导电籽层，然后在所述籽层上沉积光致抗蚀剂材料层。光刻地曝光和显影该光致抗蚀剂层从而在所述光致抗蚀剂层中形成开口或槽，所述开口定义写极图案。然后电镀磁材料到所述光致抗蚀剂层中的开口中。然后通过化学顶离去除光致抗蚀剂层，并通过离子研磨去除所述籽层的未被所述写极覆盖的部分。
文档编号G11B5/187GK101064108SQ20071010186
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者哈密德·巴拉曼尼, 克里斯琴·R·邦霍特, 徐一民, 阿伦·纽豪斯, 阿伦·彭特克, 郑义 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司