用空气轴承面镶嵌工艺制造的垂直磁记录头

摘要

本发明公开了一种利用空气轴承面镶嵌工艺形成垂直磁记录头的方法和用该方法形成的垂直磁记录头。该垂直头是通过在极层上沉积伪尾部屏蔽层、并选择性地蚀刻所述伪尾部屏蔽层以达到等于所需的尾部屏蔽层的喉口高度的深度而形成的。然后，在所产生的空洞中沉积磁性材料。

说明书

技术领域

一般而言，本发明涉及数据存储和重现领域，更具体地说，涉及一种利用空气轴承面镶嵌工艺(damascene process)形成垂直磁记录头的方法和用此方法形成的垂直磁记录头。

背景技术

第一台盘驱动器的出现是在20世纪50年代，它包括50张直径为24英寸以1200RPM(每分钟转数)的速度旋转的磁盘。从第一台盘驱动器(HDD)的出现至今大约50年，在这50年内硬盘驱动器技术领域取得了巨大进展。而且，其发展速度正在逐年增加。迄今，这一成功已使硬盘存储器成为现代计算机存储结构中最重要的一员。

磁盘存储器最重要的用户属性是每兆的价格、数据率和存取时间。面密度的提高已成为在硬盘存储器价格历史性改善之后的首要驱动力。实际上，磁盘驱动器的面密度在不断提高，目前市售的磁盘驱动器的面密度超过每平方英寸1000亿比特。虽然这种状态允许我们按比例缩小每一比特位上的信息，但是不能总按比例缩放。另外，尽管这些困难与硬盘驱动器有关，但类似结论也可用于磁带和其它磁技术上。

磁记录头通常由两部分组成，其包括用于在磁盘上存储磁性编码信息的写部分和用来从盘上重现磁性编码信息的读部分。读部分通常包括底罩(bottom shield)、顶罩和位于底罩和顶罩之间通常由磁阻(MR)材料构成的传感器。盘表面的磁通引起MR传感器的传感层磁化向量旋转，这种旋转再导致MR传感器电阻率改变。MR传感器电阻率的改变可以通过对MR传感器通以电流并测量MR传感器的电压来检测。然后外部电路将电压信息转换成适当的格式，并且进行必要的操作，从而再现在盘上编码的信息。

磁记录头的写部分通常由顶极(top pole)和底极(bottom pole)组成，它们在写磁头的空气轴承面处被间隙层彼此分开，并在远距空气轴承面的区域通过后通道彼此相连。在顶极和底极之间是一层或多层由绝缘层封装的导电线圈。空气轴承面(ABS)是紧邻磁记录介质或盘的记录头的表面。

为了向磁性介质写入数据，要使电流流过导电线圈，由此感生穿过顶极和底极之间的写间隙的磁场。通过使流过线圈的电流的极性反向，写到磁性介质上的数据的极性也被反向。因为顶极通常是顶极和底极的后极，所以顶极实际上被用于向磁性介质写入数据。因此，顶极限定了写入数据的轨道宽度。更确切地说，轨道宽度是通过在空气轴承面的顶极的宽度来限定的。写部分和读部分可以设置成合并式结构，其中的共用极既可以作为读部分的顶罩又可以作为写部分的底极。

随着存储量需求的继续增加，一系列新技术将在未来两年内逐渐取代目前的SCSI和ATA之类的存储介质。除了这一系列改进之外，硬盘驱动器供货商正开发更先进的技术，以提高HDD磁性介质的实际数据记录容量。

很多HDD制造商开始探讨称之为垂直数据记录的新的磁记录技术。有人提出用在磁记录介质上的垂直记录头可以克服纵向记录头存储密度的限制。

在现今的“纵向”HDD产品中，利用将数据位平行于介质平面设置的方法将数据位记录在磁介质上。目前的纵向记录技术可实现每平方英寸的存储密度超过1000亿比特，但是在今后若干年必然需要新的记录方法，以保持HDD容量的增长率。

为了实现更高的存储量，驱动器的制造者必须要提高磁介质的面密度。目前的方法包括使数据位更小和更紧密地设置它们，但是一些因素将限制数据位的缩小程度。

由于数据位减小，将比特位保持在适当位置的磁能也减小，并且随着时间的流逝热能将引起退磁，而导致数据丢失。这种现象称之为超顺磁效应。为了防止这一点，HDD制造者可以提高磁盘的矫顽磁性(驱动器磁头将数据写到磁性介质上所需的磁场)。然而，能够被施加的磁场的总值要根据制造磁头的磁性材料的类型和数据位的写入方式来确定，而且供货商正接近于这个区域的上限。

垂直记录使数据位垂直于磁性介质表面放置。数据位被形成为向上或向下的磁性取向，因此变换将表示为数字数据1和0。垂直记录可为硬盘驱动器提供更大的存储数据面密度，因为它能够在记录介质中获得更高的磁场。

垂直记录头通常包括一对磁性耦合极(coupled poles)，主极在空气轴承面具有明显小于相对极的表面区域。用来在主极感应磁场的线圈与主极相邻设置。使用垂直记录头的磁记录介质通常包括硬磁上层。软磁下层一般与记录层相邻设置，与记录头相对。由于主极和相对极之间表面区域的差别和通过两极之间软底层的磁通量，在记录轨道内的磁通方向将被取向为垂直于记录介质，并且平行于主极内的磁通。

记录密度与记录轨道的宽度成反比。这些轨道的宽度也就是记录头主极的宽度。目前可用的主极普遍通过光刻技术制得。因此主极的宽度受到光刻技术的分辨率的限制。在带有尾部屏蔽(trailing shield)的垂直头的设计中，尾部屏蔽的喉口高度(throat height)必须与间隙和轨道宽度的尺寸类似。目前有人提出，对于带有“尾部”屏蔽的垂直头的设计要求“喉口高度”低于100nm、公差为30nm或更小。

为了获得低于100nm、公差为30nm或更小的“喉口高度”，要求记录头内大间隔层之间、即喉口高度限定层和GMR传感器条纹高度(stripe height)限定层之间约30nm或更小的边对边的对准度。这在制造记录头的晶圆级(wafer level)加工过程中，在校准和特征尺寸上要求极其严格的公差。针对校准公差的半导体加工说明(roadmap)建议可以利用前缘刀具(leading edgetools)获得30nm的尺寸，但看起来目前仍没有办法能显著小于30nm。印刷特征尺寸的偏差(当前的半导体说明给出的量约为10到30nm)和任何由于研磨已完成部件以限定空气轴承面导致的条纹高度上的误差附加在此对准误差上。

对这种边与边对准问题可能的解决方案包括磁头的设计，其中，利用一个单独的光掩模对条纹高度和喉口高度限定层同时构图。然而，这涉及通常称之为并列磁头(side by side head)的磁头的主要再设计以及用于制造这种磁头的方法。

由此可见，需要提供一种垂直磁头装置和方法，其能够以比光刻法更高的精度减小喉口高度公差。

发明内容

为了克服上面所述的现有技术的缺陷，并克服其它在阅读和理解本说明书时出现的限制，本发明公开了一种用空气轴承面镶嵌工艺形成垂直磁记录头的方法和用该方法形成的垂直磁记录头。

本发明的解决上述问题的技术方案是，在极层上沉积一层伪尾部屏蔽层，其与所述极由非磁性间隙材料分开，并选择性地从空气轴承面蚀刻伪尾部屏蔽层，以达到等于所需的尾部屏蔽层的喉口高度的深度。然后，在所形成的空洞(void)中沉积磁性材料。

按照本发明一实施方式，利用空气轴承面镶嵌工艺形成垂直磁记录头的方法包括在主极上沉积不可蚀刻的非磁性间隙材料；在非磁性间隙材料上沉积可蚀刻的非磁性材料；研磨可蚀刻的非磁性材料、间隙材料和主极；选择性地蚀刻可蚀刻的非磁性材料以产生具有预定深度的空洞；并用磁性材料填充该空洞。

在本发明另一实施方式中，提供一种垂直磁记录头。该垂直磁记录头包括主极；沉积在主极上的不可蚀刻的非磁性间隙材料；设置在该间隙材料上的可蚀刻的非磁性材料，该非磁性材料从一平面凹下预定深度；设置在主极和间隙材料上、与非磁性材料相邻、在所述非磁性材料和所述平面之间的区域中的磁性材料。

在本发明的又一实施方式中，提供一种磁存储系统。该磁存储系统包括至少一个磁存储介质，用于在其上存储数据；用于移动至少一个磁存储介质的马达；和包括用于在所述至少一磁存储介质中的每一个上读和写数据的垂直磁头的致动器臂组件，该致动器使垂直磁头相对于运动的至少一个磁存储介质定位，其中，垂直磁记录头还包括主极；沉积在主极上的不可蚀刻的非磁性间隙材料；设置在间隙材料上的可蚀刻的非磁性材料，所述非磁性材料从一平面凹下预定深度；设置在主极上、与非磁性材料相邻、在所述非磁性材料和所述平面间的区域中的磁性材料。

在本发明的再一实施方式中，提供了另一种垂直磁记录头。该垂直磁记录头包括用于为写装置提供极的装置、设置在该极上用于限定喉口高度的装置，所述用于限定喉口高度的装置从一平面凹下预定深度、以及设置在用于为写装置提供极的装置上、并与用于限定喉口高度的装置相邻、用于提供磁性层的装置，该用于提供磁性层的装置被设置在用于限定喉口高度的装置和所述平面之间的区域中。

使本发明脱颖而出的这些和其它不同的优点和特征在其所附的权利要求中被明确指出并构成其一部分。但是，为了更好地理解本发明、本发明的优点和通过使用获得的目的，应参考构成本发明一部分的附图及所附的对本发明实施方式的具体实例的说明和描述的说明性内容。

附图说明

现在参照附图进行描述，全部附图中相同的附图标记代表相同的部分：

图1表示本发明一实施方式的存储系统；

图2表示本发明一实施方式的存储系统的一具体实施例；

图3表示本发明一实施方式的存储系统；

图4是用来支撑上面安装了带磁头的滑块的悬架系统的等距图；

图5是示出了磁头的基本部件的磁头侧剖面的正视图；

图6是图5所示磁头的空气轴承面视图；

图7示出了连接到用于图5所示磁头的写极片的线圈的连接导线；

图8示出了纵向记录和垂直记录之间的差别；

图9是尾部屏蔽垂直磁头的剖面图；

图10示出了本发明一实施方式的用空气轴承面镶嵌工艺制得的磁记录头；

图11示出了本发明一实施方式的在沉积磁性材料以填充通过蚀刻掉部分伪尾部屏蔽所留下的空洞之后的垂直记录头；和

图12是本发明一实施方式的以比光刻法更高的精度减小喉口高度公差的制造垂直磁头的方法流程图。

具体实施方式

下面参照构成实施方式的一部分的附图和通过附图示出的可实施本发明的具体实例对实施方式进行描述。应该理解，也可以采用在不超出本发明范围的前提下对本发明作出结构上的改变的其它一些实施方式。

本发明提供了一种利用空气轴承面镶嵌工艺形成垂直磁记录头的方法和由此方法形成的垂直磁记录头。本发明通过在极层上沉积伪尾部屏蔽层，并选择性地蚀刻伪尾部屏蔽层、以达到等于所需的尾部屏蔽喉口高度的深度而构成。然后，在所形成的空洞中沉积磁性材料。

图1示出了本发明的存储系统100。在图1中，换能器(transducer)140由致动器148控制。致动器148控制换能器140的位置。换能器140在由主轴132旋转的磁性介质134上写入或读出数据。换能器140安装在由悬架144和致动器臂146支承的滑块142上。悬架144和致动器臂146确定滑块142的位置，因此磁头140与磁盘134的表面处于换能关系。

图2示出了本发明一具体实施方式的存储系统200。在图2中示出了硬盘驱动器230。驱动器230包括用来支撑和旋转磁盘234的主轴232。安装在壳体255中的机架254上的马达236旋转主轴232，马达由马达控制器238控制。复合的读写磁头安装在滑块242上，滑块由悬架244和致动器臂246支撑。处理电路250与磁头交换代表如下信息的信号：提供给马达用来旋转磁盘234的驱动信号；和用来移动滑块至不同轨道的控制信号。在大容量直接存取存储设备(DASD)中可采用多个盘234、滑块242和悬架244。

当马达236旋转盘234时，滑块242被支撑在盘234的表面和空气轴承面(ABS)248之间的薄气垫(空气轴承，air bearing))上。然后，可用磁头在盘234表面上的多个环形轨道上写入信息，也可以从中读取信息。

图3示出了存储系统300。在图3中，换能器310由致动器320控制。致动器320控制换能器310的位置。换能器310在磁性介质330上写入和读取数据。所以读/写信号通过数据通道340。信号处理器系统350控制致动器320并且处理数据通道340的信号。另外，介质传送器(media translator)360由信号处理器系统350控制，以使磁性介质330相对于换能器310移动。当然，本发明并不局限于存储系统300的具体类型或者用于存储系统300中的介质330的具体类型。

图4是用来支撑上面安装了带磁头的滑块442的悬架系统400的等距图。在图4中，第一和第二焊接点404和406将来自传感器440的导线与悬架444上的导线412和424相连，第三和第四焊接点416和418将线圈与悬架444上的导线414和426相连。但是，连接的具体位置取决于磁头的设计。

图5是磁头540的侧剖面的正视图，图中示出了磁头的基本部件。磁头540包括写磁头部分570和读磁头部分572。读磁头部分572包括传感器(sensor)574。图6是图5所示磁头的ABS视图。传感器574被夹在第一和第二间隙层576和578之间，这些间隙层被夹在第一和第二屏蔽层580和582之间。在图5所示的背负式磁头(piggyback head)中，第二屏蔽层(S2)582和第一极片(P1)592是分开的层。第一和第二屏蔽层580和582保护MR传感元件574免受相邻磁场的影响。也可选择将第二屏蔽层582作为写元件的第一极(P1)592，并引出术语“合并式MR磁头”。当然，这并不意味着本发明局限于MR头的具体类型。

响应外部磁场传感器574的阻抗发生变化。流经传感器的传感电流Is使这些阻抗改变而表示为电压的变化。然后，使这些电压的变化通过图3中的信号处理系统350被处理为读出信号(readback signal)。也可选择使传感器两端的电压固定，传感电流的改变由信号处理系统350处理。

磁头的写磁头部分包括夹在第一和第二绝缘层586和588之间的线圈层584。可采用第三绝缘层590使磁头平坦，以消除在第二绝缘层中由线圈层584产生的波纹。该技术中第一、第二和第三绝缘层指的是“绝缘堆叠(insulation stack)”。线圈层584和第一、第二及第三绝缘层586、588和590被夹在第一和第二极片层592和594之间。第一和第二极片层592和594磁性耦合在后间隙(back gap)596处，并且具有被ABS 548上的写间隙层502隔开的第一和第二极尖598和501。第一极片层592通过绝缘层503与第二屏蔽层582隔开。

图7示出了与用于图5所示磁头的写极片594的线圈584相连的连接导线520、522。如图4至7所示，第一和第二焊接点404和406将来自传感器574的导线与悬架444上的导线412和414相连，第三和第四焊接点416和418将来自线圈584(见图7)的导线520和522与悬架上的导线424和426相连。

图8描述了纵向记录和垂直记录之间的差别800。在纵向记录中，采用数据位平行于介质平面的记录方法在磁性介质812上记录数据位810。为了获得更高的存储容量，垂直记录垂直于磁性介质表面822放置数据位820。垂直数据位820形成向上或向下的磁性取向，因此转换可以被检测为数字数据1和0。由于磁头在记录介质中能达到更高的磁场，所以垂直记录使硬盘驱动器具有更大的存储数据的面密度。

纵向记录头830包括第一极832和第二极834。线圈836缠绕在第二极834上。通过线圈836的电流在写间隙感生磁场840。垂直记录头850通常包括一对磁性耦合极852和854。与磁极854相邻设置的线圈856用来在磁极854上感生磁场860。使用垂直记录头的磁记录介质870通常包括硬磁的上层872。软磁底层874通常与记录层872相邻设置，而与记录头850相对。由于主极854和相对极852之间表面积的差异和经过两极852和854之间的软磁底层874的磁通，记录轨道内的磁通方向垂直于记录介质表面822，并且平行于主极854内的磁通860。

图9示出了尾部屏蔽的垂直磁头的剖面图900。在图9中，第一屏蔽层910和第二屏蔽层912设置在GMR磁条914的周围。第一极920、第二极922、第三极924、后间隙(back gap)926和尾部屏蔽层928形成垂直头的写部分。尾部屏蔽层928通过非磁性间隙材料944与第二极922隔开。线圈930形成在第一极920与第二和第三极922和924之间，并在绝缘层946之上。通过线圈930的电流在写间隙932中感生磁场。尾部屏蔽层928的后缘940必须与GMR磁条914的后缘942对齐，以在所需的尾部屏蔽喉口高度950的小的百分比之内。喉口高度950是磁极部分922面对尾部屏蔽928的长度(高度)。尾部屏蔽层928的后缘940通常由光致层(photo layer)限定，其不提供必要的对准精度。

图10示出了本发明一实施方式的用空气轴承面镶嵌工艺制得的磁记录头1000。在图10中，第一屏蔽层1010和第二屏蔽层1012设置在GMR磁条1014的周围。第一极1020、第二极1022、第三极1024、后间隙1026和伪尾部屏蔽层1028形成垂直头的写部分。伪尾部屏蔽层1028通过非磁性间隙材料1044与第二极1022隔开。线圈1030形成于第一极1020与第二和第三极1022和1024之间，并在绝缘层1046之上。通过线圈1030的电流在写间隙1032中感生磁场。但是，利用自对准的蚀刻工艺和“镶嵌”填充工艺在“几乎”完成的滑块层面(slider level)上确定喉口高度，而不是在晶片层面(wafer level)上确定写喉口高度。

在制造磁记录头的过程中，将如Si、SiO₂、Ta、W等可蚀刻的非磁性“伪尾部屏蔽”材料1028沉积在第二极1022上代替所需的最终磁性尾部屏蔽材料。伪尾部屏蔽层1028在垂直于最后的ABS 1062的方向上被制造成比最终所需的磁尾部屏蔽层(图10中未示出)大，但是在其余的两个正交方向上的尺寸应该是所需的最终磁尾部屏蔽层的尺寸。可供选择的是，其余的两个正交方向的最终磁尾部屏蔽层的尺寸可以被改变为计及抛光终止层，这将在下文中介绍。

在晶片处理完成之后，ABS位置1062或者非常接近最终的ABS 1062的平面利用电研磨终止标记(ELG)或者利用读传感器作为研磨终止标记(lapping guide)通过列层面(row level)或单独的滑块层面研磨限定。然后，例如通过RIE选择性地对在晶片处理过程中沉积的“伪尾部屏蔽”层1028进行蚀刻至等于所需的尾部屏蔽的喉口高度的深度、或者等于喉口高度与粘附/抛光终止层的厚度之和的深度。

通过选择合适的伪尾部屏蔽的材料1028，可不必在蚀刻之前用光致抗蚀剂构图来保护ABS 1062的区域，因为可在具化学选择性的情况下进行蚀刻工艺。也可选择用抗蚀剂小岛覆盖GMR传感器1014，因为RIE蚀刻只对伪尾部屏蔽1028是选择性的，且被蚀刻的区域尺寸由一平面内、即图10看到的平面内的晶片尺寸和晶片层面伪尾部屏蔽层1028的厚度控制。

图10中还示出了处于晶片层面的伪尾部屏蔽1060的形状。伪尾部屏蔽层1028并不是必须延伸而远超过所需的ABS的位置1062。因此，伪尾部屏蔽层1028在ABS研磨阶段的大部分时间内处于凹处，以在研磨过程中减少对ABS 1062上的新材料的任何担心，即，污染(smearing)、不同研磨率等。

图11示出了按照本发明一实施方式的、在沉积磁性材料以填充由蚀刻掉部分伪尾部屏蔽所留下的空洞之后的垂直记录头1100。在图11中，第一屏蔽层1110和第二屏蔽层1112设置在GMR磁条1114的周围。第一极1120、第二极1122、第三极1124、后间隙1126和伪尾部屏蔽层1128形成垂直头的写部分。伪尾部屏蔽层1128通过非磁性间隙材料1144与第二极1122隔开。线圈1130形成于第一极1120与第二和第三极1122和1124之间，并在绝缘层1146之上。通过线圈1130的电流在写间隙1132中感生磁场。在图11中还示出了处于晶片层面的伪尾部屏蔽形状1160。

完成晶片处理后，研磨滑块，以形成ABS位置1162或非常接近最终的ABS 1162的平面，并且对伪尾部屏蔽层1128选择性地进行蚀刻，使深度等于所需的尾部屏蔽喉口高度1180。进行蚀刻之后，在滑块的表面可真空沉积如W或C之类的任选的薄抛光终止层，在ABS上真空沉积如Ni、Fe、Co或它们合金之类的合适的磁性材料1190，以填充因去除部分伪尾部屏蔽层1128所留下的空洞。这可以通过真空沉积工艺实现，该工艺可将磁性材料覆盖整个空气轴承面。

在镶嵌之类的工艺中，随后的研磨或CMP工艺可用来去除多余的真空沉积材料，并保留磁性尾部屏蔽层1190暴露在ABS面1162处，以提供最终的滑块，其中，非磁性的“伪尾部屏蔽”1128用延伸至深度等于所需的喉口高度1180并相对于最终的ABS 1162的深度的磁性材料1190取代。如果最终的研磨或者CMP抛光需要(薄的)抛光终止层(如W或C)，可以在沉积磁性尾部屏蔽材料1190之前对其进行沉积，随后通过RIE去除。在这种情况下，可以改变如上所述的等于最终的尾部屏蔽尺寸的“伪尾部屏蔽”层1128的尺寸，以计及此抛光终止层。此外，最终的CMP研磨可以是单个滑块研磨处理的精抛光阶段。这可以是单个滑块处理中研磨的最后阶段。在这种情况下，抛光终止层是不必要的。如果使用了抛光终止层，那么要通过RIE去除此层。

图12是按照本发明的一实施方式、以比光刻法更高的精度减小喉口高度公差的制造垂直磁头的方法的流程图1200。在步骤1210中，在主极上沉积可以蚀刻的非磁性“伪尾部屏蔽”材料。在步骤1220中，完成晶片。晶片处理完成后，在步骤1230中，研磨滑块，以形成ABS位置或非常靠近最终的ABS的平面。在步骤1240中，选择性地蚀刻伪尾部屏蔽层，使深度等于所需的尾部屏蔽的喉口高度。随后在步骤1250中，用磁性材料再次填充产生的空洞。在步骤1260中，执行最终的研磨步骤以形成ABS。

上面对本发明的示例性实施方式的说明的目的在于阐释和说明，而并非穷举或将其限制于所公开的具体形式。根据上述教导可以作出很多改型和变化。这意味着本发明的范围不限于这些细节描述，而取决于所附的权利要求书。