(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を極低温基板温度に冷却するステップと、
前記基板上に第１の磁性薄膜を堆積させるステップとを備え、前記第１の磁性薄膜は、堆積の間において全体的にゼロ未満の圧縮応力を維持し、
極低温から室温までの一次アニール中に前記第１の磁性薄膜を加熱するステップをさらに備え、前記第１の磁性薄膜は、一次アニール後に室温においてゼロの応力を有する、方法。
【請求項２】
前記極低温基板温度は約５０ケルビンである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁性薄膜は単一の連続的な磁気シールド層である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記圧縮応力は、前記堆積させるステップの間にスパッタリング圧を調節することによって、前記磁性薄膜内において維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記磁性薄膜の前記圧縮応力は、前記堆積させるステップの間に前記磁性薄膜の厚みを調整することによって維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記磁性薄膜における前記圧縮応力は、前記堆積させるステップの間にスパッタリング電力を調節することによって維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記加熱するステップは、前記磁性薄膜における応力により引起こされる異方性を最小化する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
二次アニールは、一次アニールが行なわれた後、摂氏約２２５度で行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記二次アニールは、２時間にわたって行なわれる、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００１】
概要
本開示のさまざまな実施例は、概して、低形状因子のデータ記憶装置から効率的にデータを読出して記録することのできる磁気素子に向けられる。さまざまな実施例に従うと、極低温に冷却された基板に堆積した薄膜は、不要な応力異方性を低下させて一次アニール後に薄膜内部応力をほぼゼロにするよう、一次アニール中に応力調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
【図１】データ記憶装置の例示的部分を示すブロック図である。
【図２】図１に示されたデータ記憶装置の部分において用いることのできる例示的な磁気素子の一部を概略的に示すブロック図である。
【図３】例示的な磁気書込み素子についての例示的な応力特性を示すグラフである。
【図４】例示な磁気素子についての所与の成長温度に関する例示的な応力特性を示す図である。
【図５】さまざまな実施例に従って構成されかつ動作する磁気素子に概ね関連付けられる性能データのグラフ図である。
【図６】例示的な磁気素子のさまざまな動作特性を示すグラフである。
【図７】さまざまな実施例に従って行なわれる磁気素子製造工程を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
詳細な説明
データ記憶装置の製品設計は、データ容量、転送速度および信頼性を高めるために、データ記憶媒体からのデータアクセス速度を高めつつデータビットのサイズを小さくすることに焦点を合わせてきた。このようにサイズを小さくすると、データ読取りおよび書込み構成要素が、特に磁気特性に関して正確に動作することが困難になる可能性がある。すなわち、データアクセス構成要素のサイズを小さくすると、これらの構成要素が如何に機能するかに影響を及ぼすおそれがあり、これにより、データビットの書込みおよび検知が阻止される可能性がある。
【０００４】
薄膜材料を堆積させると、磁気素子の性能に悪影響を及ぼすおそれのある機械的応力の蓄積が起こる可能性がある。具体的には、堆積した磁性薄膜に存在する内在応力によって不要な磁気異方性が生じる可能性がある。膜に残留する応力は、装置についての信頼性の問題を引起こすおそれのある膜の層間剥離およびクラッキングを引起こす可能性がある。このため、堆積後のアニールであるにもかかわらず磁気特性を維持したままで最小の残留応力を有するデータ素子を提供するために、磁性薄膜および非磁性薄膜の両方が被る応力を制御することについて、産業界の関心が大きくなってきている。
【０００５】
したがって、不要な応力異方性を減らすよう一次アニール中に応力を調整させるために、磁気シールドおよび書込み極などの軟磁性薄膜を極低温基板に堆積させてもよい。堆積した薄膜が被る応力を制御できれば、粒径を小さくしたままで高温アニールを行なうにもかかわらず軟磁性特徴を呈するデータ素子を構成することが可能となる。磁気シールドおよび極についての応力をこのように調製することにより、高い生成率と、低形状因子データ記憶装置においてしばしば生じる高い動作温度に対する持続的な抵抗とがさらに可能となる。
【０００６】
スパッタリングされた薄膜に存在する応力は、粒界、転位、空隙および不純物などの膜内の構造的欠陥から生じ、かつ、格子不整合および熱膨脹係数の差などがある膜と基板との間の境界面から生じ得る。基板温度が非常に低い場合、いくつかの効果が、このような低い基板温度で堆積した薄膜における応力変化に寄与し得る。第一に、後方散乱させたＡｒ中性体は、移動度が少なくとも部分的に低下しているせいで、薄膜基材に捕えられて埋込まれる可能性が高くなる。
【０００７】
第二に、極低温に冷却された基板に堆積させた薄膜が室温にまで暖まると、膜と基板との熱膨張の差により不可逆的な残留応力が生じ得るといったアニール条件が効果的に実施される。第三に、堆積した薄膜に引張応力が存在していることで、薄膜に微小空隙が生じる可能性がある。これはスパッタリング圧に大きく左右される。スパッタリング圧が高い場合、引張応力を引起こし易い低密度の膜を生成できるガス散乱によって、強力な衝撃の大きさも抑制される。
【０００８】
このように、薄膜の全体的な応力に寄与し得る多くの要因が存在する。極低温に冷却された基板に薄膜を堆積させることにより、薄膜における熱応力を高めることができ、さらに、より大型のノブを設けることができる。この大型のノブは、十分に密度の高い膜構造を維持しつつ、堆積されたままの膜またはアニールされたままの薄膜においてほぼゼロの応力を達成するために、スパッタリング圧および電力を調節することによって応力を調製するためのものである。
【０００９】
図面を参照して、図１は、データ記憶装置のデータ変換素子１００の一部を概略的に示す。変換素子１００は、本開示のさまざまな実施例を有利に実施することのできる環境にある状態で示される。しかしながら、この開示のさまざまな実施例がこのような環境によってさほど限定されず、意図しないさまざまな磁束発生条件を緩和するよう実現可能であることが理解されるだろう。
【００１０】
変換素子１００は、磁気記憶媒体１０８上に存在するプログラムされたデータビット１０６上にわたって変換ヘッド１０４を位置決めする作動アセンブリ１０２を備える。記憶媒体１０８はスピンドルモータ１１０に取付けられる。スピンドルモータ１１０は使用中に回転して空気軸受面（ＡＢＳ：air bearing surface）１１２を作り出す。このＡＢＳ１１２上で、作動アセンブリ１０２のスライダ部分１１４が、変換ヘッド１０４を含むヘッドジンバルアセンブリ（ＨＧＡ：head gimbal assembly）１１６を位置決めするよう、媒体１０８の所望の部分上を移動する。
【００１１】
変換ヘッド１０４は１つ以上の変換素子を含み得る。これら１つ以上の変換素子には、たとえば磁気ライタおよび磁気反応型リーダなどがあって、それぞれ、プログラムを書込んだり、記憶媒体１０８からデータを読取ったりするよう動作する。このようにして、作動アセンブリ１０２の制御された動きにより、変換器が記憶媒体面上に規定されたデータトラック（図示せず）と位置合わせされて、データを書込み、読取って、書き換える。
【００１２】
図２は、図１の作動アセンブリにおいて使用可能な変換ヘッド１２０の実施例の断面ブロック図を示す。ヘッド１２０は、磁気リーダ１２２およびライタ１２４などの１つ以上の磁気素子を有し得る。これら磁気素子は、図１の媒体１０８などの隣接する記憶媒体にデータを書込むかまたは当該記憶媒体からデータを検索するよう個々にまたは同時に動作可能である。各々の磁気素子１２２および１２４は、対応するデータ媒体の所定のデータトラック１２６を規定するよう作用するさまざまなシールドで構成される。この所定のデータトラック１２６上で、データビットが、それぞれの磁気素子１２２および１２４によって検知およびプログラムされる。
【００１３】
磁気読取り素子１２２は、図示のとおり、リーディングシールド１３２とトレーリングシールド１３４との間に配置された磁気抵抗層１３０を有する。これに対し、書込み素子１２４は、書込み極１３６と、隣接する記憶媒体に所望の磁気配向を与えるために書込み回路を作り出す少なくとも１つのリターン極１３８を有する。いくつかの実施例は、書込み素子１２４を用いて、隣接するデータ媒体に対して垂直にデータを書込むが、これに限定されない。このような垂直記録は、データビットをより高密度に実装することを可能にするが、残留磁束が複数のデータビットに同時に影響を及ぼすことができるのでＥＡＷの効果を高めることもできる。
【００１４】
別の非限定的な実施例においては、書込み素子１２４は、非磁性スペーサ層１４０の隣りに接して位置決めされた少なくとも２つのリターン極１３８と、空気軸受面（ＡＢＳ）シールド１４２とを含み得る。書込み素子１２４は、１つまたは多くの個々のワイヤであり得るコイル１４４と、ヨーク１４６とを含み得る。ヨーク１４６は、書込み極１３６に取付けられ、磁束を与えるようコイル１４４とともに動作する。この磁束は、書込み極１３６から導電性ビア１４８を通って移動して、リターン極１３８において終端する。なお、ヘッド１２０のさまざまな向きを、ヘッドの動きに応じてＹ軸に沿ったアップトラックまたはダウントラックとして特徴付けることができることに留意されたい。
【００１５】
堆積時、磁気シールド１２６および１３２ならびに磁気活性構造１２８において発生する軟磁性材料中の粒状物の微細構造は、特に極低温基板に堆積させた場合、自然のアニールまたは人工的なアニールによって暖まると、堆積層が被る応力および磁気特性、すなわち異方性、に影響を及ぼす可能性がある。たとえば４００°Ｃよりも高い温度などでの人工的な高温アニールは、堆積膜が極低温から室温にまで自然に暖まり得ることとは対照的であるかもしれないが、堆積層における応力を調整できれば、不要な応力異方性の発生を最小限にすることによって、発生させる応力をほぼゼロにすることが可能となる。
【００１６】
図３は、さまざまな実施例に従って、基板温度の上昇に応じた例示的なデータ変換器の応力をグラフ化したものである。実線１４０は、極低温の〜５０Ｋから室温の〜３００Ｋまでのさまざまな温度を有する基板上で、８０００Ｗ、５０ｓｃｃｍのＡｒフロースパッタリングで堆積させた軟磁性薄膜の応力をグラフで示す。同様に、点線１４２は、さまざまな基板温度について、５０００Ｗ、７０ｓｃｃｍのＡｒフロースパッタリングで堆積させた別の軟磁性膜の応力を示す。各々の線１４０および１４２は、軟磁性材料が極低温基板温度で堆積したときに、膜が圧縮応力を被る傾向があるのに対して、室温での基板堆積が引張応力に対応していることを示す。
【００１７】
図４は、さまざまな基板材料に堆積させたときの別の例示的なデータ変換器の薄膜層の応力をグラフで示す。実線１５０は、約５０Ｋ、１５０Ｋおよび３００Ｋでのシリコン基板への軟磁性層の堆積に関連付けられる応力を示す。点線１５２は、線１５０と同じさまざまな基板温度に制御されたＡｌＴｉＣ上に堆積した軟磁性層についての応力をグラフ化したものである。図４のデータは、膜が室温に暖まったときに被る熱応力に対して基板材料が如何に寄与し得るかを概略的に示す。基板と膜との間の熱膨張率（ＣＴＥ：coefficients of thermal expansion）の差による膜における熱応力を分析することにより、熱応力が総残留応力のかなりの部分を構成する可能性があること、さらに、堆積温度を制御することで膜応力を効果的に調整することができることが分かる。熱応力は、堆積層の応力に寄与する唯一のパラメータではなく、基板材料を選択する能力を堆積電力および流量とともに選択的に用いることができ、膜における応力の調整を可能にして、発生させる室温応力をほぼゼロにして、不要な応力異方性を低下させることができる。
【００１８】
【数１】
0006042261.tif 000002
【００１９】
図６は、さまざまな流量およびアニール条件で堆積させた軟磁性層についての応力測定値を示す。実線１７０および点線１７２は、それぞれ、３ｋＷの堆積電力で２２５°Ｃで２時間アニールさせた場合とアニールさせない場合とについて、層の堆積に関連する応力をグラフ化したものである。一方で、実線１８０および点線１８２は、それぞれ、８ｋＷの電力で堆積させた未アニール層およびアニールされた層についての応力を示すグラフである。
【００２０】
室温よりも高い温度での人工的なアニールの存在が、堆積層が被る応力を増大させるものとして図６に示される。点線１７２と点線１８２との差は、流量や、室温よりも高い温度で行われるアニールの存在にもかかわらず、スパッタリング電力が応力領域を如何に劇的に変化させ得る（張力対圧縮）かを示す。しかしながら、さまざまな実施例においては、スパッタリング電力、流量およびアニールは、それぞれ、応力により引起こされる異方性が低下するせいで低下した雑音に相当するほぼゼロの応力を有する磁気素子を製造するのに用いられる。
【００２１】
たとえば、線１８２は、線１８０によって示されるように、人工的なアニールの後ではあるが、堆積されていない状態で、８ｋＷのスパッタリング電力および約５０ｓｃｃｍの空気流量により、如何にほぼゼロの応力を発生させるかを示す。流量で応力を調整することにより、同時に、所定の膜粗さをもたらすことができる。そのため、流量を調節することにより、所定の応力および表面粗さを同時にもたらすことができる。一例として、流量を低く維持したままで、基板温度を上昇させて同時にほぼゼロ応力の材料特性をもたらすことができる。
【００２２】
さまざまなパラメータ、堆積電力および流量、厚さ、基板温度ならびにアニールに基づいて所与の軟磁性薄膜のための応力を調整することができれば、応力によって引起こされる異方性を最小限にすることができる。そのため、基板温度によりノブが設けられる。このノブは、薄膜の高い信頼性に対応する可能性のある不要な応力誘因型異方性を避けるために、残留応力がほぼゼロの軟磁性薄膜を形成するよう、堆積電力および流量と同程度に処理することができる。
【００２３】
図７は、さまざまな実施例に従って実行される例示的な磁気素子製造工程２１０を示すが、これは必ずしも必要ではなく、または、データ書込み素子において用いられる軟磁性薄膜を形成するための特定の態様には限定されない。工程２１０は、いくつかのさまざまな要因を評価することから始まってもよい。たとえば、薄膜の目的、材料および構成はステップ２１２において決定することができる。軟磁性薄膜の目的は、層の効果に対応する堆積圧力、堆積電力、基板温度および厚さに対応する所定の残留応力を決定することのできる磁気性能基準を評価するのと同時に、またはこの評価に引続いて実施可能である。
【００２４】
ステップ２１２は、薄膜が如何にアニールされるべきかと、アニールされるべきか否かとをさらに評価および判断し得る。堆積層が極低温から室温にまで自然に暖まるとアニール条件が発生する可能性があるが、ステップ２１２はさらに、室温よりも高い温度でのアニールによって膜に存在する応力が調整され得るかどうかを評価し得る。層のさまざまな局面がステップ２１２において設計されると、ステップ２１４において、図２の基板１２２などの極低温基板上への薄膜の堆積を開始する。すなわち、少なくとも基板温度、堆積流量、堆積電力および層厚さに対応する調整された応力を有するよう膜を堆積させている間、基板が冷却され、極低温で維持される。
【００２５】
ステップ２１４において層を堆積させると、判断ステップ２１６において、堆積プロセスのいずれかの局面が調節されるべきかどうかを判断する。たとえば、堆積電力および空気流量が薄膜に対して多少の圧縮応力をもたらすよう変更されるべきであるかどうかを判断する。ステップ２１４で開始された堆積の態様を変更すべき場合、ステップ２１８においては、膜が被る応力をさらに調整するようこれらの変更を実行する。堆積の調節が終了するか、または判断ステップ２１６において調節しないことが選択された場合、ステップ２２０において、判断ステップ２１６において決定されたアニールプロファイルで薄膜をアニールし始める。アニールプロファイルは、単に、層の極低温から室温までの自然な温度上昇を伴い得るか、または、室温よりも高い温度での付加的なアニール、たとえば約２２５°Ｃの２時間にわたるアニール、を含み得る。
【００２６】
ステップ２２０での薄膜のアニールの後に判断ステップ２２２が引続き行なわれてもよく、ここでは追加の層の構造が企図される。より多くの層が選択される場合、工程はステップ２１２から新たに始まる。しかしながら、追加の層が形成されない場合、工程２１０は終了してもよく、または、組立ておよび実装などの製造の別の局面に移行してもよい。
【００２７】
工程２１０によってさまざまな判断およびステップが設けられている場合、磁気読取りおよび書込み素子は、応力によって引起こされる不要な異方性を低下させた状態でほぼゼロの応力を有するよう調整された多種多様なパラメータで製造され得る。しかしながら、さまざまな判断およびステップを省略、変更および追加することができるので、工程２１０は図７に示されるプロセスに限定されない。たとえば、判断ステップ２１６は、複数の膜が集合的にアニールされるようにステップ２２０における如何なるアニールよりも前に行なわれてもよい。
【００２８】
本開示に記載された磁気素子の構成および材料特性が、高面密度のデータ記憶装置での使用に有利な磁気特性を有する軟磁性薄膜を設けることによって、高度な磁気読取りおよびプログラミングを可能にすることが認識され得る。さらに、さまざまな層の内部応力を調整および最適化することができれば、応力によって引起こされる異方性を正確に低下させることができ、かつ、膜の機械的性質を高めることができる。加えて、実施例は磁気プログラミングに向けられているが、主張された技術をデータ検知やソリッドステートデータ記憶の応用例などの他のいくつもの応用例において容易に利用できることが認識されるだろう。
【００２９】
本開示のさまざまな実施例の多数の特徴および利点をさまざまな実施例の構造および機能の詳細とともに上述の説明において述べてきたが、この詳細な説明は例示的なものに過ぎず、変更は詳細になされてもよく、特に、本開示の原理の範囲内であれば、添付の特許請求の範囲を表現する用語の広く一般的な意味によって示される最大限の範囲まで、部品の構造および構成に関して変更がなされてもよいことが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００３０】
１００  データ変換素子、１０２  作動アセンブリ、１０４  変換ヘッド、１０６  データビット、１０８  磁気記憶媒体、１１０  スピンドルモータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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