專利名稱：薄膜磁頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜磁頭，這種磁頭可以用作如個人計算機或工作站的信息處理裝置，并且具有在如硬盤或軟盤的磁寫介質(zhì)或磁記錄介質(zhì)(下文中稱為記錄介質(zhì))上并相對于這些記錄介質(zhì)移動以讀取儲存信息的磁致電阻元件部分。
薄膜磁頭通常用來高密度地將信息記錄到記錄介質(zhì)上。日本專利公開號為Hei6-223331(1994)的專利申請中描述了一個這樣一種薄膜磁頭的例子。圖7是這樣一種現(xiàn)有技術(shù)磁頭的示意截面圖。
如圖7所示，現(xiàn)有技術(shù)的薄膜磁頭有一個襯底1，襯底1上依次層疊有由類似鉆石的碳(下文中稱為DLC)形成的絕緣層20、屏蔽層3、由DLC形成的絕緣層21、磁致電阻元件部分(下文中稱為MR元件層5)、引線層(lead layer)6-A和6-B、由DLC形成的絕緣層22以及屏蔽層8。
圖8是圖7中所示MR元件層5和引線層6-A和6B的局部放大圖。
參見圖7和圖8，引線層6-A和6-B成對位于MR元件層5的兩端。MR元件層5是一個層疊結(jié)構(gòu)，中間是非磁性層11，兩邊是磁致電阻層12和軟磁層10，層疊結(jié)構(gòu)中，軟磁層10最靠近襯底1。軟磁層10是一個用來將偏置電場施加到磁致電阻層12上的薄膜。非磁性中間層11是一個用來使軟磁層10與磁致電阻層12磁隔離的薄膜，磁致電阻層12是一個將磁通變化轉(zhuǎn)換成信號的薄膜。
引線層6-A和6-B是一個抗鐵磁偏置層13上依次疊加粘附增強層(adherenceenhancing layer)14和導(dǎo)電引線層(conductive lead layer)15的結(jié)構(gòu)。引線層6-A和6-B之間限定了一個工作區(qū)6-C。
當(dāng)試圖用上述薄膜磁頭來讀取記錄介質(zhì)中存儲的信息時，額定電流施加到引線層6-A，使得該額定電流從引線層6-A通過MR元件層5流到引線層6-B。流入MR元件層5的電流產(chǎn)生垂直于電流方向的電場，在磁致電阻元件12以及軟磁層10中感應(yīng)出磁場，從而使磁致電阻層12通過耦合效應(yīng)(coupling effect)沿電流方向受到偏置。
當(dāng)處在這樣的偏置狀態(tài)下受到一外磁場影響時，磁致電阻層12隨變化的磁場改變其阻抗。通過對作為信號的磁致電阻變化進(jìn)行處理，可以獲得輸出。
然而，DLC的內(nèi)應(yīng)力尤其是壓縮應(yīng)力通常較高。由于這一壓縮應(yīng)力的作用，就有張力作用在附著在DLC的物體上。
在上述薄膜磁頭中，引線層6-A和6-B以及MR元件層5夾在絕緣層21和22之間。因此，絕緣層21和22中產(chǎn)生的壓縮力可能也作用在MR元件層55上而使MR元件層5變形，而無法獲得所要求的電特征，結(jié)果，使可靠性下降。
另外，如上所述，在屏蔽層上直接形成具有高壓縮應(yīng)力的絕緣層很可能會使包括絕緣層的上部疊層在受到絕緣層中的壓縮力作用的時候與襯底分離。
本發(fā)明的目的是提供一種高可靠性的薄膜磁頭，這種磁頭具有優(yōu)良的耐磨性和更長的使用壽命。
按照本發(fā)明第一個方面的磁頭的特征是包括一個可以在磁性記錄介質(zhì)上并相對于磁性記錄介質(zhì)移動以讀取磁性記錄介質(zhì)上存儲的信息的磁致電阻元件部分(MR元件部分)；固定其間的磁致電阻元件部分的上屏蔽層和下屏蔽層，用來磁屏蔽磁致電阻元件部分；分別位于上屏蔽層和磁致電阻元件部分之間以及下屏蔽層和磁致電阻元件部分之間的上間隔(gap)絕緣層和下間隔絕緣層。重要的是，上間隔絕緣層和下間隔絕緣層包含一含氫薄膜，并且上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的氫含量是相互不同的。
在本發(fā)明的第一個方面中，上間隔絕緣層中的氫含量最好比下間隔絕緣層中的氫含量高。
按照本發(fā)明的第一個方面，上間隔絕緣層中的氫含量最好在45-65原子百分比的范圍內(nèi)，更好一些是在50-60原子百分比的范圍內(nèi)，而下間隔絕緣層中的氫含量最好在5-45原子百分比的范圍內(nèi)，更好一些是在5-30原子百分比的范圍內(nèi)。氫含量可以通過例如二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)來確定。
在本發(fā)明的第一個方面中，上間隔絕緣層和下間隔絕緣層最好是一個用氫化的無定形的碳薄膜。用氫化的無定形碳薄膜是一種通常稱為類似鉆石的碳薄膜(DLC薄膜)的薄膜。同樣，硅薄膜也可以用來形成用于上間隔絕緣層和下間隔絕緣層的含氫薄膜。由于DLC薄膜和硅薄膜具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，它們散熱很快而能防止MR元件部分中的過度溫度升高，從而可以延長MR元件部分的使用壽命。
通常對于DLC薄膜來說，它的內(nèi)應(yīng)力和硬度趨向于隨著其中的氫含量的增大而減小。因此，由于與下間隔絕緣層中的氫含量相比上間隔絕緣層的氫含量更高，所以，相對于下間隔絕緣層來說，上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力和硬度減小了。
通常，薄膜磁頭的薄膜層是分別通過薄膜形成方法依次疊加在襯底上的。這樣，MR元件部分的形成是在下間隔絕緣層的形成之后，而在上間隔絕緣層的形成之前。因此，相對于下間隔絕緣層來說，上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力一般對MR元件部分的影響更大。所以，通過將上間隔絕緣層設(shè)計成比下間隔絕緣層具有降低了的內(nèi)應(yīng)力，可以有效地延長MR元件部分的使用壽命，從而使可靠性提高。
按照本發(fā)明的第一個方面，通過使上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的氫含量不同，可以減小上、下間隔絕緣層中的一方相對于另一方的硬度。所以，通過將增大了的硬度給予到兩個間隔絕緣層中的一個，可以增大上、下間隔絕緣層之間的MR元件部分的耐磨性。如上所述，由于上間隔絕緣層相對于下間隔絕緣層具有更小的內(nèi)應(yīng)力，所以，最好將下間隔絕緣層設(shè)計成相對于上間隔絕緣層具有更大的硬度。
按照本發(fā)明第二個方面的磁頭包括可以在磁性記錄介質(zhì)上和相對于磁性記錄介質(zhì)移動并用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分(MR元件部分)，抒磁致電阻元件部分放置在用來對其進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層之間，以及分別介于上屏蔽層和磁致電阻元件部分之間以及下屏蔽層和磁致電阻元件部分之間放置上間隔屏蔽層和下間隔屏蔽層。重要的是，上、下間隔絕緣層均含有含氫薄膜，并使上、下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力相互是不同。
在本發(fā)明的第二個方面中，上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力最好比下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力小。這就使得內(nèi)應(yīng)力對MR元件部分的影響減小，從而形成具有更長使用壽命的高可靠性的薄膜磁頭。
上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力最好是在0.01-4GPa的范圍內(nèi)，而下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力最好是在4-10GPa的范圍內(nèi)。
如果上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力低于下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力，則下間隔絕緣層相對于上間隔絕緣層具有增加了的硬度。
在本發(fā)明的第二個方面中，與本發(fā)明的第一個方面中的相同，上、下間隔絕緣層的含氫薄膜最好包含一經(jīng)氫化的無定形碳薄膜。同樣，也可以采用硅薄膜來形成上、下間隔絕緣層的含氫薄膜。
在采用DLC薄膜用作含氫薄膜的情況下，通過增加其氫含量，通?？梢詼p小其內(nèi)應(yīng)力和硬度。所以，在本發(fā)明的第二個方面中，上間隔絕緣層的氫含量最好高于下間隔絕緣層中的輕含量。
下面說明本發(fā)明的第一個方面和第二個方面中共同的問題。
在所述上、下間隔絕緣層均由經(jīng)氫化的無定形碳薄膜組成的情況下，該無定形氫化的碳薄膜可以含有從Si、B、N和O中選擇出來的至少一個元素。含有Si、B、N或O提高了滑動特征，而含有N減小了其中的內(nèi)應(yīng)力。元素的含量最好是在2到80原子百分比的范圍內(nèi)。
中間層可以介于下間隔絕緣層和下屏蔽層之間。中間層用來提高下間隔絕緣層的粘附性。
上述中間層可以作為替換或者添加到上間隔絕緣層和磁致電阻元件部分之間。該中間層用來提高上間隔絕緣層的粘附性。
中間層可以呈與相鄰層共膨脹(coexpansive)形式的連續(xù)膜或由多個夾于相鄰層之間的孤島(island)部分組成的斷續(xù)形式。
中間層薄膜厚度最好不大于200。中間層的薄膜厚度最好不大于相應(yīng)的上間隔絕緣層或下間隔絕緣層的薄膜厚度的五分之一。
中間層可以由Si、Ru、Mo、W、Cr、C、Ge、Hf、Zr或Ti形成。這些元素中的任何一個與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一個元素組合也可以用來形成中間層。
在本發(fā)明的第一個和第二個方面中，當(dāng)上間隔絕緣層或/和下間隔絕緣層由經(jīng)氫化的無定形碳薄膜組成的時候，其中還可以包括有內(nèi)應(yīng)力松弛層(relaxationlayer)。這樣一種內(nèi)應(yīng)力松弛層可以有多個，形成在無定形碳薄膜內(nèi)。
內(nèi)應(yīng)力松弛層可以由例如基本上不含氫的碳膜組成?；旧喜缓瑲涞倪@樣一種碳膜可以通過濺射來形成。
同樣，內(nèi)應(yīng)力松弛層可以由Si、Ru、Mo、W、Cr、Ge、Hf、Zr或Ti形成。這些元素中的任何一個與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素組合在一起也可以用來形成內(nèi)應(yīng)力松弛層。
在本發(fā)明的特定實施例中，含有一層或多層內(nèi)應(yīng)力松弛層的上述無定形碳膜包含等效厚度為a的多個碳層，這些碳層與等效厚度為b的多個內(nèi)應(yīng)力松弛層交替。這時，比值a/b最好在1-1000的范圍內(nèi)更好是在10-500范圍內(nèi)。表面與內(nèi)應(yīng)力松弛層接觸的這樣一種碳層下文中簡單地稱為碳層。
同樣，每一碳層的硬度與每一內(nèi)應(yīng)力松弛層硬度的比值，即，(每一碳層的硬度)/(每一內(nèi)應(yīng)力松弛層的硬度)最好不小于10。
同樣，每一碳層的內(nèi)應(yīng)力與每一內(nèi)應(yīng)力松弛層的內(nèi)應(yīng)力的比值，即，(每一碳層的內(nèi)應(yīng)力)/(每一內(nèi)應(yīng)力松弛層的內(nèi)應(yīng)力)最好不小于100。每一碳層的薄膜厚度最好在約50到約5μm的范圍內(nèi)，更好一些是在約100到約1μm的范圍內(nèi)。每一內(nèi)應(yīng)力松弛層的薄膜厚度b最好在約5到5μm的范圍內(nèi)，更好一些是在約10到1μm的范圍內(nèi)。
無定形碳膜內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力松弛層的存在使得內(nèi)應(yīng)力松弛層側(cè)面的碳層中的內(nèi)應(yīng)力松弛，從而可以有效地減小無定形碳層的總的內(nèi)應(yīng)力。
在本發(fā)明的第一個和第二個方面中，由于上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力最好小于下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力，所以可以至少在上間隔絕緣層中含有內(nèi)應(yīng)力松弛層。
上間隔絕緣層或/和下間隔絕緣層的氫含量最好在5-65原子百分比的范圍內(nèi)。同時，上間隔絕緣層或/和下間隔絕緣層中存在的25％或更大部分的碳-碳鍵最好由sp3的碳-碳鍵占據(jù)。上間隔絕緣層或/下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力最好在0.5-9.0GPa的的范圍內(nèi)。同樣，上間隔絕緣層或/下間隔絕緣層的特征電阻最好是在109-1012Ω·cm的范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明第三個方面的薄膜磁頭包括可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于該磁性記錄介質(zhì)移動并用來讀取存儲在其中的信息的磁致電阻元件部分，用來將磁致電阻元件部分固定在其間并用來對磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層，分別介于上屏蔽層和磁致電阻元件部分之間以及下屏蔽層和磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層。薄膜磁頭還包括介于下間隔絕緣層和下屏蔽層之間的第一中間層，以及介于上間隔絕緣層和磁致電阻元件部分之間的第二中間層。
同樣，在本發(fā)明的第三個方面中，與本發(fā)明的第一個和第二個方面相似，上間隔絕緣層和下間隔絕緣層最好均包含一氫化的無定形碳膜。同時，第一中間層和第二中間層最好與按照本發(fā)明第一個和第二個方面的中間層相似。


圖1是本發(fā)明的薄膜磁頭的一個實施例的示意截面圖；圖2是本發(fā)明的薄膜磁頭的另一個實施例的示意截面圖；圖3是自偏壓隨上、下間隔絕緣層中的氫含量以及內(nèi)應(yīng)力的變化圖；圖4是自偏壓隨氫化的無定形碳膜中的碳分子之間的sp3鍵(bonding)比值的變化圖5是一例形成第一中間層和第二中間層以及上、下間隔絕緣層的裝置的示意截面圖；圖6是圖5所示裝置的第一開孔部分及其附近的示意平面圖；圖7是一建議的現(xiàn)有技術(shù)薄膜磁頭的示意截面圖；圖8是圖7所示現(xiàn)有技術(shù)薄膜磁頭中包含的MR元件層5以及引線層6-A、6-B的局部放大圖；圖9是含有內(nèi)應(yīng)力松弛層的氫化的無定形碳膜的示意截面圖；圖10是描述能夠形成含有圖9中所示內(nèi)應(yīng)力松弛層的氫化的無定形碳膜的典型薄膜形成裝置的示意截面圖；以及圖11是當(dāng)改變碳層的薄膜厚度a與內(nèi)應(yīng)力松弛層的薄膜厚度b的比值時的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力圖。
下面參照圖1至圖6描述本發(fā)明的一個實施例。
按照本發(fā)明的薄膜磁頭的一個實施例可以按照下面參照圖1所說明的步驟(1)到(9)來制作。
(1)絕緣層52(例如由Al2O3形成的絕緣層)和下屏蔽層52(例如由Ni合金，例如坡莫合金，制成的下屏蔽層)形成在Al2O3-TiC襯底51上，形成一個特定的晶片(下文中簡稱為晶片)，該晶片放置在一襯底支承物上。
(2)第一中間層54，如Si，該中間層是濺射形成在晶片上的。
(3)下間隔絕緣層55，如含有DLC薄膜的下間隔絕緣層，是形成在第一中間層上的。
(4)MR元件層56，如由Ni合金形成的MR元件層，是濺射形成在下間隔絕緣層55的預(yù)定區(qū)域上的。
(5)電極層57，如由Au形成的電極層，是濺射形成在MR元件層56的預(yù)定區(qū)域上的。
(6)第二中間層58，如由Si形成的第二中間層，是濺射形成在至少電極層57和MR元件層56上的。
(7)上間隔絕緣層59，如含有DLC薄膜的上間隔絕緣層59，是形成在至少第二中間層58上的。
(8)上屏蔽層60，如含有Ni合金(如坡莫合金)的上屏蔽層是濺射形成在上間隔絕緣層59上的。
(9)感應(yīng)性磁頭部分61是形成在上屏蔽層60上的。
在上述步驟中，第二、第三、第六和第七步驟可以通過如圖5所示的ECR等離子體發(fā)生器來執(zhí)行的。因此，當(dāng)圖5所示的ECR等離子體發(fā)生器完成第二和第三步驟的時候，將晶片轉(zhuǎn)移到另一個薄膜形成裝置(如濺射裝置)執(zhí)行第四和第五步驟。隨后，再將晶片送回圖5所示的ECR等離子體發(fā)生器執(zhí)行后續(xù)處理過程。
圖5是用來在晶片上形成第一中間層(按照第二步驟形成)、第二中間層(按照第六步驟形成)、下間隔絕緣層(按照第三步驟形成)以及上間隔絕緣層(按照第七步驟形成)的典型裝置的示意截面圖。
參照圖5，等離子體發(fā)生室24設(shè)置在真空室28內(nèi)，真空室28的一端連接有波導(dǎo)22。波導(dǎo)22的另一端安裝在微波提供裝置21上。微波提供裝置21中產(chǎn)生的微波通過波導(dǎo)22和微波入口窗23傳導(dǎo)到等離子體發(fā)生室24內(nèi)。
等離子體發(fā)生室24上連接的是放電氣體入口線25，用來將放電氣體(如氬氣Ar)引入等離子體發(fā)生室24。多個等離子體磁場發(fā)生器26安裝環(huán)繞在等離子體發(fā)生室24的周圍。微波感應(yīng)的高頻磁場與等離子體磁場發(fā)生器26產(chǎn)生的磁場相互作用，在等離子體發(fā)生室24中產(chǎn)生高密度的等離子體。
鼓形襯底支承物32位于真空室28內(nèi)，從而可以沿垂直于真空室28的壁面的軸(位于垂直于紙面的方向)旋轉(zhuǎn)。
多個晶片33(本實施例中為6個)以一定的間隔環(huán)繞排列在襯底支承物32上，高頻電源30連接到襯底支承物32上。
由金屬制成的空心筒狀屏蔽罩34徑向圍繞在襯底支承物32，在其間限定了一個具有預(yù)定尺寸的空間。這一屏蔽罩34連接到一接地電極上。該屏蔽罩34的安裝是用來防止在真空室28和除去其上的目標(biāo)薄膜形成處的襯底支承物面積之間發(fā)生放電，而這一放電會在發(fā)生在RF電壓施加到用于薄膜形成的襯底支承物時候。
屏蔽罩34有一個第一開孔35，通過該開孔，等離子體從等離子體發(fā)生室24傳送到襯底支承物32上安裝的晶片33上。真空室28含有一反應(yīng)氣體入口線36，并且反應(yīng)氣體入口線36的引入端位于第一開孔35的上方。
圖6是反應(yīng)氣體入口線36的引入端及其周圍的平面圖。
參照圖6，反應(yīng)氣體入口線36包括一氣體入口部分36a，用來將原材料氣體，如CH4氣體從外部引入真空室28；以及一個用來垂直連接到氣體入口部分36a的氣體放電部分36b。
氣體放電部分36b垂直地穿過襯底支承物32的旋轉(zhuǎn)方向A，并且位于第一開孔35的上方。平面圖中，氣體放電部分36b位于沿開孔35中旋轉(zhuǎn)方向A的上游位置處。氣體放電部分36b有多個孔41，每一個孔的方向向下呈約45度角。本實施例中，孔41有八個。
再參照圖5，在屏蔽罩34的底部有第二開孔43，開孔43垂直面向第一開孔15。第二開孔43的下方是靶子46，靶子46由構(gòu)成第一中間層54和第二中間層58的材料原子組成。靶子46的附近是離子槍47，它將惰性氣體中的離子射向靶子46，對靶子46進(jìn)行濺射。
本實施例中，Ar氣體用作惰性氣體。靶子和離子槍47一起用來通過第二開孔43傳送構(gòu)成第一中間層54或第二中間層58的材料原子，釋放到晶片33上。例子例1和例2圖5所示從裝置用來在晶片上形成Si層(第一中間層54和第二中間層58)以及作為下間隔絕緣層55和上間隔絕緣層59的氫化的無定形碳膜。
首先，將真空室28抽真空至10-5-10-4乇的壓力，隨后，以約10rpm(每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù))的速率使襯底支承物32旋轉(zhuǎn)。接著，將Ar氣提供給離子槍47，獲得Ar離子，將Ar離子射向Si靶子46的表面，其中，Ar離子的加速電壓和離子電流密度分別設(shè)置在900eV和0.4mA/cm2下。
上述過程持續(xù)約1分鐘，從而在屏蔽層53的表面上形成厚度為20的第一Si中間層。
隨后終斷Ar離子的發(fā)射，開始從ECR等離子體發(fā)生裝置提供5.7×10-4乇的Ar氣。同時，微波提供裝置21提供200W的2.45GHz微波，在等離子體發(fā)生室24中產(chǎn)生Ar等離子體。產(chǎn)生的Ar等離子體通過第一開孔35傳送到第一中間層54的表面。
同時，高頻電源30向襯底支承物32提供13.56MHz的射頻(RF)電壓，使晶片33產(chǎn)生自偏壓，而反應(yīng)氣體入口線36提供1.0×10-5乇的CH4氣體，從而形成氫化的無定形碳膜(DLC膜)。
通過上述過程，在第一中間層54上形成厚度為1000的下間隔絕緣層55。重復(fù)類似的過程，形成厚度為20的第二中間層58，并接著在第二中間層58上形成厚度1000的上間隔絕緣層50。這樣就制成了薄膜磁頭(例1)。
類似地，在第一中間層54(厚度為20)上形成厚度為400的下間隔絕緣層55，并且在第二中間層58(厚度為20)上形成厚度為400的上間隔絕緣層59，從而制成一薄膜磁頭(例2)。
圖2描述的是圖1所示薄膜磁頭的典型改進(jìn)形式。除了第二中間層58是形成在MR元件層56和電極層57上的以外，圖2所示的薄膜磁頭與圖1所示的薄膜磁頭是相同的。
這樣一種改進(jìn)的薄膜磁頭可以用與制備圖1所示的薄膜磁頭的相同的方法來制備，只是在形成第二中間層58而在下間隔絕緣層55、MR元件層56和電極層57上延伸以后，還蝕刻去除下間隔絕緣層55上形成的一部分第二中間層58。
圖3圖示描述的是用作下間隔絕緣層55和上間隔絕緣層59的厚度為1000的氫化的無定形碳膜中的內(nèi)應(yīng)力和氫含量與自偏壓之間的關(guān)系。
參照圖3，讀者可以理解氫化的無定形碳膜中含有的氫含量以及內(nèi)應(yīng)力是通過改變自偏壓來控制的。即，當(dāng)自偏壓增大時，氫化的無定形碳膜中含有的氫含量下降，而其內(nèi)應(yīng)力增加。所以，通過確定薄膜中的氫含量，可以預(yù)測內(nèi)應(yīng)力。
圖4描述的是氫化的無定形碳膜中含有的碳原子之間sp3鍵與自偏壓的關(guān)系。
參照圖4，讀者可以理解，薄膜中所包含的碳-碳sp3鍵的比例隨著自偏壓的變化而變化。即，sp3鍵的比例可以通過改變自偏壓的控制。同時，確定按照圖4形成的氫化的無定形碳膜的特征電阻。結(jié)果是，它們的值在109Ω·cm到1012Ω·cm的范圍內(nèi)。
接著，分別形成具有高內(nèi)應(yīng)力的氫化的無定形碳膜(高應(yīng)力膜)、具有低內(nèi)應(yīng)力的氫化的無定形碳膜(低應(yīng)力膜)，它們的厚度均為1000，以確定它們的內(nèi)應(yīng)力和硬度。形成上述薄膜時施加的自偏壓以及所形成的薄膜的內(nèi)應(yīng)力和硬度由表1給出。
表1
從表1可以知道，高應(yīng)力膜和低應(yīng)力膜的內(nèi)應(yīng)力和硬度均比Al2O3膜中的高。
薄膜的內(nèi)應(yīng)力一般可以根據(jù)襯底的變形程度來確定。具體說來，通過確定在襯底上形成薄膜并允許在其上產(chǎn)生的應(yīng)力存在而出現(xiàn)的并且是根據(jù)襯底的形狀和彈性常數(shù)來確定撓度，可以估算內(nèi)應(yīng)力。這種技術(shù)稱為“撓度方法”(參見“應(yīng)力物理”，1987年第7期，第66卷，第923-924頁)，并且被用來確定表1中所示薄膜的內(nèi)應(yīng)力。
接著，形成表2中給出的具有不同內(nèi)應(yīng)力的用于下間隔絕緣層和上間隔絕緣層59的薄膜，以制備在例1、例2和比較例1至3中制備的五中類型的薄膜磁頭。進(jìn)行施加了電功率的壽命測試。另外，在給定的時間間隔內(nèi)用記錄介質(zhì)進(jìn)行滑動測試，以確定MR元件層56的磨損量。結(jié)果在表2中給出。對于壽命的測試結(jié)果，優(yōu)于比較例3的用等級記號@表示，而那些可以與比較例3比較的用等級記號O表示。壽命測試是通過使電流流過MR元件層56并確定工作壽命直至電流值下降到規(guī)定的值以下來進(jìn)行的。
表2
*1)相對于比較例子3的比較如表2中所示，比較例1在施加電源的使用壽命中可與比較例3比較，但例1和例2以及比較例2在施加電源的使用壽命中優(yōu)于比較例3。
由于MR元件層56上的上間隔絕緣層59中的內(nèi)應(yīng)力增大的負(fù)影響，所以這被認(rèn)為是可能的。
相對于滑動測試以后的MR元件層56的磨損量，例1和2中的是比較例3中的四分之一或更小，并且小于比較例2中的磨損量。
這是因為高硬度的因此是下間隔絕緣層55的高磨損阻力本質(zhì)保護(hù)了很薄的MR元件層56。
其次，對于例1、例2和比較例3中制備的每一種薄膜磁頭，測試從MR元件層56漏入屏蔽層53中的電流。為了進(jìn)行比較，用400的Al2O3膜制得上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，制成薄膜磁頭(比較例4)，測試其泄漏電流。測試結(jié)果在表3中給出。
表3
*1)與比較例3的比較如表3中所示，當(dāng)與比較例3比較時，例1和例2均給出顯著的泄漏電流值，而在比較例4中，每一個間隔絕緣層具有較小的厚度400，且給出3.74倍的高泄漏電流值。
這證明，下間隔絕緣層和上間隔絕緣層采用氫化的無定形碳膜使得厚度減小，并且與采用Al2O3膜相比，泄漏電流明顯減小。
本發(fā)明中，下間隔絕緣層55和上間隔絕緣層59的各成分(component)比不局限于上述例子中所使用的那些成分，還可以包含一定數(shù)量的雜質(zhì)，如Si、B、N或O，來提高它們的滑動特征或其他的特征。
同時，除Si以外，其他材料也可以用作第一中間層54和第二中間層58，這些中間層用來提高下間隔絕緣層55和第一中間層54底層之間以及上間隔中間層59和第二中間層54的底層之間的粘附性。
同樣，盡管上述例子中Si用于第一中間層54和第二中間層58，但也可以采用Ru、Mo、W、Cr、C、Ge、Hf、Zr或Ti，可以采用這些元素中的任何一個與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素的組合。這些材料由實驗證明具有與Si相似的結(jié)果。
同時，由實驗證明，在上述薄膜形成條件下形成構(gòu)成下間隔絕緣層和上間隔絕緣層的薄膜的溫度不高于100℃。
另外，盡管上述例子改變自偏壓作為控制內(nèi)應(yīng)力的技術(shù)，但并非局限于此。薄膜的內(nèi)應(yīng)力可以通過例如使薄膜中含有氮氣來控制。
例如，含氮氣的氫化的無定形碳膜可以在表1所示用于高應(yīng)力膜的薄膜形成條件下，通過將CH4氣體和N2氣體的壓力分別設(shè)置在1×10-3乇和5.7×10-4乇來形成。形成的薄膜具有3.9GPa的內(nèi)應(yīng)力，和2800 Hv的Vickers硬度。所以，使氫化的無定形碳膜中含有氮氣使硬度增大，內(nèi)應(yīng)力減小。
作為控制氫化的無定形碳膜的內(nèi)應(yīng)力的另一種方法，可以在該薄膜中包含一個內(nèi)應(yīng)力松弛層。下面描述這樣一種方法。
圖9是氫化的無定形碳膜的示意截面圖，該碳膜中含有一層內(nèi)應(yīng)力松弛層并且可以用來構(gòu)成按照本發(fā)明的上間隔絕緣層或/和下間隔絕緣層。氫化的無定形碳膜74包括與內(nèi)應(yīng)力松弛層73交替存在的碳層72。經(jīng)碳處理的不定形碳膜中所包含的內(nèi)應(yīng)力松弛層用來減小氫化的無定形碳膜中的內(nèi)應(yīng)力。
圖10是用來形成含有內(nèi)應(yīng)力松弛層的氫化的無定形碳膜的典型裝置的示意截面圖。這一薄膜形成裝置使得可以用ECR等離子體CVD技術(shù)和/或濺射技術(shù)來形成薄膜。參照圖10，等離子體發(fā)生室84以及用來容納襯底的反應(yīng)室位于真空室87中。波導(dǎo)82將等離子體發(fā)生室84連接到微波發(fā)生器81。微波入口窗83位于波導(dǎo)82和等離子體發(fā)生室84的連接處。與等離子體發(fā)生室84連接的是用來將放電氣體如氬氣(Ar)引入等離子體發(fā)生室84的放電氣體入口線85。另外，等離子體磁場發(fā)生器86徑向環(huán)繞等離子體發(fā)生室84的周圍。
在真空室87內(nèi)的反應(yīng)室內(nèi)部，有一個襯底支承物89，上面放置著襯底88。與真空室87內(nèi)的反應(yīng)室連接的是用來反應(yīng)氣體入口線91，用來以等離子體CVD方法引入用作原材料氣體的反應(yīng)氣體。與襯底支承物89連接的是用來在襯底88中產(chǎn)生自偏壓的高頻電源90。
同時，在真空室87中有一個濺射源92，濺射源上安裝著一個通過濺射技術(shù)在襯底88上形成薄膜的靶子。高頻電源93還用來將高頻電功率提供給濺射源92。真空室87通過空氣出口94被抽真空至預(yù)定的壓力。例3圖9中所示的碳膜是用圖10所示的薄膜形成裝置形成的。交替重復(fù)形成碳層的過程1和形成內(nèi)應(yīng)力松弛層的過程2。本例中，采用石墨靶子來濺射形成基本不含用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的氫氣的無定形碳膜。過程1圖10所示的薄膜形成裝置中，襯底88安裝在襯底支承物89上，并將真空室87抽真空至10-5～10-7乇的壓力。接著，通過放電氣體入口線85，在等離子體發(fā)生室84內(nèi)引入5.7×10-4乇的Ar氣，并且同時將2.45GHz和100W的微波從微波發(fā)生器81提供到等離子體發(fā)生室84，在等離子體發(fā)生室84內(nèi)產(chǎn)生以后將傳送到襯底88的表面上的Ar等離子體。反應(yīng)氣體入口線91提供7.6×10-4乇的CH4氣體。從反應(yīng)氣體入口線91得到的CH4氣體由于等離子體的作用而分解，產(chǎn)生反應(yīng)很強的碳離子或中性的活性碳，而加速到襯底88的表面。同時，高頻電源90將13.56MHz的RF電能提供到襯底支承物89，從而襯底88產(chǎn)生-50V的自偏壓。按照上述過程，碳層是由單一薄膜形成過程形成為900的。過程2終斷從反應(yīng)氣體入口線91得到的CH4氣體供應(yīng)，開始從放電氣體入口線85提供1×10-3乇的Ar氣。同時，高頻電源93向濺射源92提供用于激勵濺射源的13.56Mhz的RF電源。結(jié)果，在襯底88上形成100厚度的無定形碳膜，用作內(nèi)應(yīng)力松弛層。
過程1和過程2交替重復(fù)10次，最后執(zhí)行過程1一次。因此，依次形成10組含有碳層72和內(nèi)應(yīng)力松弛層73的單元，并且最后在其上形成一附加碳層72，從而如圖9所示形成總數(shù)為21層的碳膜74。碳膜74的整個厚度是1.09μm。比較例5按照上述過程1形成碳層，即，厚度為1.09μm的類似金剛石的碳膜。比較例6按照過程2形成無定形碳層，即，厚度為1.09μm的薄膜。Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力的測量測量分別在例3和比較例5和6中獲得的薄膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力。表4中給出結(jié)果。
表4
*)當(dāng)比較例5中獲得的薄膜的內(nèi)應(yīng)力取1時的相對值從表4可以明顯地看到，例3中得到的碳膜具有可與碳層，即在比較例5中獲得的類似金剛石碳膜的可比擬的Vickers硬度，但與比較例5中獲得的類似于金剛石的碳膜相比，內(nèi)應(yīng)力降低。
圖11是當(dāng)改變碳層的薄膜厚度a與內(nèi)應(yīng)力松弛層的薄膜厚度b的比值a/b時，碳膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力的圖。圖中給出的Vickers硬度值和內(nèi)應(yīng)力值表示當(dāng)比較例5中得到的薄膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力取1時的相對值。測量的碳膜是一個多層膜，包括11個碳層和10個內(nèi)應(yīng)力松弛層，整個厚度為1.09μm，與例3中得到的碳膜相同。
正如從圖11中得到的結(jié)果可以清楚地看到的那樣，當(dāng)薄膜厚度的比值a/b是在1～1000的范圍內(nèi)的時候，碳膜與比較例3中得到的類似于金剛石的碳膜相比，具有可比擬的硬度和降低了的內(nèi)應(yīng)力，而當(dāng)薄膜厚度的比值a/b是在10～500的范圍內(nèi)時，與比較例3中得到的類似于金剛石的碳膜相比，具有類似可比擬的硬度，而內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步減小。例4形成一Si層，作為內(nèi)應(yīng)力松弛層。執(zhí)行按照例3的步驟1和步驟2，所不同的是，裝有Si靶子的濺射源92用來濺射形成用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的厚度約100的Si層。結(jié)果，得到包括疊加在碳層上的Si層的碳層。
測量得到的碳膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力。Vickers硬度是3050Hv。當(dāng)比較例5中得到的類似于金剛石的薄膜的測量內(nèi)應(yīng)力取1時，其內(nèi)應(yīng)力的相對值是0.75。例5形成一W層作為內(nèi)應(yīng)力松弛層。執(zhí)行按照例3的步驟1和步驟2，所不同的是在步驟2中，裝有W靶子的濺射源用來濺射形成用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的厚度約100的W層。結(jié)果，得到包括疊加在碳層上的W層的碳層。
測量得到的碳膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力。Vickers硬度是3000Hv。當(dāng)比較例5中得到的類似于金剛石的薄膜的測量內(nèi)應(yīng)力取1時，其內(nèi)應(yīng)力的相對值是0.73。例6形成Zr層作為內(nèi)應(yīng)力松弛層。遵照按照例3的步驟1和步驟2，與步驟2中不同的是，采用安裝有Zr靶子的濺射源92來濺射形成用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的厚度約100的Zr層。結(jié)果，就得到了包括疊加在碳層上的Zr層的碳層。
測量所獲得的碳膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力。Vickers硬度是3000Hv。當(dāng)類似于比較例5中獲得的金剛石膜的測量內(nèi)應(yīng)力取1時，內(nèi)應(yīng)力的相對值是0.73。例7形成SiC層作為內(nèi)應(yīng)力松弛層。執(zhí)行按照例3的步驟1和步驟2，所不同的是，在步驟2中采用裝有SiC靶子的濺射源，并且從反應(yīng)入口線91提供處在9.5×10-5乇的CH4氣體，以濺射形成用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的厚度約100的SiC層。結(jié)果，就得到包括疊加在碳層上的SiC層的碳層。
測量得到的碳膜的Vickers硬度和內(nèi)應(yīng)力。Vickers硬度是3080Hv。當(dāng)比較例5中得到的類似于金剛石的薄膜的測量內(nèi)應(yīng)力取1時，其內(nèi)應(yīng)力的相對值是0.8。
上述例子中，分別濺射形成用作內(nèi)應(yīng)力松弛層的無定形碳、Si、W、Zr和SiC層。然而，實驗表明，采用上述材料而不是例子中所使用的材料，對于內(nèi)應(yīng)力松弛層來說，還會導(dǎo)致具有高硬度和低內(nèi)應(yīng)力的硬碳薄膜。這表明，當(dāng)比較例5中得到的類似于金剛石的薄膜的測量內(nèi)應(yīng)力取1時，約3000Hv的Vickers硬度和它們的內(nèi)應(yīng)力的相對值為約0.7。
權(quán)利要求
1.一種薄膜磁頭，其特征在于，它包含可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分；用來固定所述磁致電阻元件部分而對所述磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層；分別介于所述上屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間以及所述下屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層包含一含氫薄膜，并且所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層的氫含量是不同的。
2.一種薄膜磁頭，其特征在于，它包含可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分；用來固定所述磁致電阻元件部分而對所述磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層；分別介于所述上屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間以及所述下屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層包含一含氫薄膜，并且所述上間隔絕緣層的氫含量高于所述下間隔絕緣層的氫含量。
3.如權(quán)利要求2所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層的氫含量是在45-65原子百分比的范圍內(nèi)，而所述下間隔絕緣層的氫含量是在5-45原子百分比的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層具有比所述下間隔絕緣層小的內(nèi)應(yīng)力。
5.如權(quán)利要求2所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述下間隔絕緣層的硬度高于氫化的無定形碳膜。
6.如權(quán)利要求2所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的至少一個是氫化的無定形碳膜。
7.如權(quán)利要求2所述的碳膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的至少一個包括一內(nèi)應(yīng)力松弛層。
8.一種薄膜磁頭，其特征在于，它包含可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分；用來固定所述磁致電阻元件部分而對所述磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層；分別介于所述上屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間以及所述下屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層包含一含氫薄膜，并且所述上間隔絕緣層具有與所述下間隔絕緣層不同的內(nèi)應(yīng)力。
9.一種薄膜磁頭，其特征在于，它包含可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分；用來固定所述磁致電阻元件部分而對所述磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層；分別介于所述上屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間以及所述下屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層包含一含氫薄膜，并且所述上間隔絕緣層具有比所述下間隔絕緣層低的內(nèi)應(yīng)力。
10.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力是在0.01-4GPa的范圍內(nèi)，而所述下間隔絕緣層的內(nèi)應(yīng)力是在4-10GPa的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述下間隔絕緣層的硬度大于所述上間隔絕緣層的硬度。
12.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層均是氫化的無定形碳膜。
13.如權(quán)利要求12所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的至少一個是含有從Si、B、N和O中選擇出來的至少一種元素的無定形氫化的碳膜。
14.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述下間隔絕緣層和所述下屏蔽層之間有一層中間層。
15.如權(quán)利要求14所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述中間層是由Si、Ru、Mo、W、Cr、C、Ge、Hf、Zr或Ti或這些元素中的任何一種元素與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素組合起來形成的。
16.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和所述磁致電阻元件部分之間有一層中間層。
17.如權(quán)利要求16所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述中間層是由Si、Ru、Mo、W、Cr、C、Ge、Hf、Zr或Ti或這些元素中的任何一種元素與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素組合起來形成的。
18.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的至少一個包括一內(nèi)應(yīng)力松弛層。
19.如權(quán)利要求18所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述內(nèi)應(yīng)力松弛層包含基本上不含氫的碳膜。
20.如權(quán)利要求18所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述內(nèi)應(yīng)力松弛層是由Si、Ru、Mo、W、Cr、Ge、Hf、Zr或Ti或這些元素中的任何一種元素與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素組合起來形成的。
21.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的每一個含有濃度為5-65原子百分比的氫。
22.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的每一個含有25％或更大的碳-碳鍵，它是由sp3碳-碳鍵占據(jù)的。
23.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中每一個的內(nèi)應(yīng)力在0.5-9.0Gpa的范圍內(nèi)。
24.如權(quán)利要求9所述的薄膜磁頭，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層中的每一個具有在109-1012Ω·cm范圍內(nèi)的特征電阻。
25.如權(quán)利要求14或16所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述中間層是與相鄰層共膨脹的連續(xù)膜形式。
26.如權(quán)利要求14或16所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述中間層呈構(gòu)成夾在相鄰層之間的多個孤島部分的斷續(xù)形式。
27.一種薄膜磁頭，其特征在于，它包含可以在磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動用來讀取其中存儲的信息的磁致電阻元件部分；用來固定所述磁致電阻元件部分而對所述磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上屏蔽層和下屏蔽層；分別介于所述上屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間以及所述下屏蔽層和所述磁致電阻元件部分之間的上間隔絕緣層和下間隔絕緣層，介于所述下間隔絕緣層和所述下屏蔽層之間的第一中間層；以及介于所述上間隔絕緣層和所述磁致電阻元件部分之間的第二中間層。
28.如權(quán)利要求27所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述上間隔絕緣層和下間隔絕緣層是氫化的無定形碳膜。
29.如權(quán)利要求27所述的薄膜磁頭，其特征在于，所述第一中間層和第二中間層均由Si、Ru、Mo、W、Cr、C、Ge、Hf、Zr或Ti或這些元素中的任何一種元素與從氮、氧和碳中選擇出來的至少一種元素組合而形成的。
全文摘要
一種薄膜磁頭,它包括:可以在一種磁性記錄介質(zhì)上或相對于磁性記錄介質(zhì)移動的磁致電阻元件部分、固定其間的磁致電阻元件部分并用來對磁致電阻元件部分進(jìn)行磁屏蔽的上、下屏蔽層以及分別介于上屏蔽層和磁致電阻元件部分之間以及下屏蔽層和磁致電阻元件部分之間的上、下間隔絕緣層。上、下間隔絕緣層均包含有含氫的薄膜。與下間隔絕緣層相比,上間隔絕緣層具有較高的氫含量和較小的內(nèi)應(yīng)力。
文檔編號C23C16/26GK1190774SQ98103859
公開日1998年8月19日 申請日期1998年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月13日
發(fā)明者平野均, 堂本洋一, 藏本慶一 申請人:三洋電機株式會社