(57)【要約】【課題】磁気抵抗センサを高い信頼性で丈夫に使用するには、非常に強力に固定されたピン層を有していなければならない。【解決手段】水平に配置された超伝導磁気ツール500を使用して磁気抵抗センサを構築する方法を提供する。超伝導磁気ツール500は、持続される期間中に非常に高い磁場を発生させて、非常に高いピニング磁界を有する磁気抵抗センサの磁化を効果的に設定することができる。超伝導磁気ツールは、超伝導コイル504に取り囲まれたセラミックチューブ502を有する。チューブ502は、水平に方向付けられた縦軸を有しているため、数多くの重要な恩恵が得られる。ツール内でウェーハ202を含むセンサの操作が容易になる。ツール内へのウェーハ202のロードが容易になる。アニール中にウェーハ内の温度勾配と磁場勾配を防止する。ツールの高さを制限することによって、ツールのメンテナンスと保管が容易になる。【選択図】図５
2006295159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ水平に方向付けられている縦軸を有するセラミックチューブと、
前記セラミックチューブの少なくとも一部を取り囲み、電気的に超伝導性の材料から構成されるコイルを含む磁石と、
前記セラミックチューブの表面に接触している発熱体と、
ウェーハを保持するためのプラッタと、
前記チューブ内で前記プラッタを保持するための支持構造と、
を有することを特徴とする超伝導磁石ツール。
【請求項２】
前記支持構造は、水平面で前記プラッタを回転させるアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項３】
前記セラミックチューブはクォーツを含むことを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項４】
前記プラッタは、クランプを使用せずに重力によって前記ウェーハを保持するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項５】
前記ツールはさらに、前記セラミックチューブを真空にするための真空チャンバーを有することを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項６】
前記ツールはさらに、前記チューブおよびコイルを取り囲む磁気シールドを有することを特徴とする請求項１に記載のツール。
【請求項７】
水平面に対して０〜３０°の角度に方向付けられている縦軸を有し、真空チャンバーを形成するために密封された第１および第２の端部を有するセラミックチューブと、
前記セラミックチューブ内を真空にするための真空ポンプと、
前記セラミックチューブの少なくとも一部を取り囲み、超伝導材料から構成されるコイルから成る磁石と、
前記セラミックチューブに巻き付けられた発熱体と、
ウェーハを保持するためのプラッタと、
前記チューブ内で前記プラッタを保持するための支持構造とを有することを特徴とする超伝導磁石ツール。
【請求項８】
前記支持構造は、水平面で前記プラッタを回転させるアクチュエータを含むことを特徴とする請求項７に記載のツール。
【請求項９】
前記セラミックチューブはクォーツを含むことを特徴とする請求項７に記載のツール。
【請求項１０】
前記プラッタは、クランプを使用せずに重力によって前記ウェーハを保持するように構成されることを特徴とする請求項７に記載のツール。
【請求項１１】
前記ツールはさらに、前記磁石の周囲を真空にするための真空チャンバーを有することを特徴とする請求項７に記載のツール。
【請求項１２】
前記ツールはさらに、前記チューブおよび前記磁石を取り囲む磁気シールドを有することを特徴とする請求項７に記載のツール。
【請求項１３】
基板を設けるステップと、
前記基板上に、それぞれピン層構造を含む複数の磁気抵抗センサを形成するステップと、
前記基板と複数のセンサを、ほぼ水平に方向付けられている縦軸を有するセラミックチューブと、前記セラミックチューブ付近に形成される電気的に超伝導性材料から構成されたコイルと、前記セラミックチューブに隣接して形成された発熱体とを有する磁気ツールの中に配置するステップと、
前記磁気ツール内に磁界を発生させて前記ピン層構造を磁化するステップと、
を含むことを特徴とする磁気抵抗センサを製造する方法。
【請求項１４】
前記磁気ツールは、さらに前記セラミックチューブ内で前記基板および前記磁気抵抗センサを保持するためのプラッタを有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プラッタは、前記チューブを回転させることなく前記チューブの軸に沿って前記プラッタを前記チューブ内に横に移動するように操作可能な支持構造によって支持されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記プラッタは、前記チューブの軸に沿ってプラッタをチューブ内に横に移動するように操作可能であるとともに、さらに垂直面を中心に前記プラッタを水平に回転させるように操作可能である支持構造によって支持されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記チューブはクォーツを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記方法はさらに、磁界を発生させている間、前記基板およびセンサを加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記センサの各々は、不粘着温度を有する反強磁性体の層を含み、前記方法はさらに、磁界を発生させている間、前記反強磁性体の層の不粘着温度に近い温度まで前記基板を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記センサの各々は、不粘着温度を有する反強磁性体の層を含み、前記方法はさらに、磁界を発生させている間、前記反強磁性体の層の不粘着温度に近い温度まで前記基板を１〜３時間の持続期間にわたって前記基板を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記チューブの縦軸は、水平面に対して０〜３０°の角度に方向付けられることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記方法はさらに、磁界を発生させている間、前記基板およびセンサを２００°Ｃを超える温度まで加熱するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記方法はさらに、磁界を発生させている間、前記基板およびセンサを２００°Ｃを超える温度まで加熱して、この温度および磁界の発生を１時間を超える持続期間にわたって維持するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記方法はさらに、磁界を発生させて、前記基板およびセンサを２００°Ｃを超える温度まで加熱して、この温度および磁界の発生を５時間を超える持続期間にわたって維持するステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
基板を設けるステップと、
前記基板上に、それぞれピン層構造を含む複数の磁気抵抗センサを形成するステップと、
前記基板と複数のセンサを、ほぼ水平に方向付けられている縦軸を有するセラミックチューブと、前記セラミックチューブのまわりに形成される電気的に超伝導性材料から構成されたコイルとを有する磁気ツールの中に配置するステップと、
前記基板およびセンサを１００〜３００°Ｃの温度まで加熱するステップと、
４〜６テスラの磁界を発生させるステップと、
４〜６テスラの磁界および１００〜３００°Ｃの温度を１〜３時間の持続期間にわたって維持するステップと、
４〜６テスラの磁界を維持している間、前記基板およびセンサを冷却するステップと、
を含むことを特徴とする磁気抵抗センサを製造する方法。
【請求項２６】
前記発熱体は、前記セラミックチューブに巻き付けられた導電性コイルを有することを特徴とする請求項１または７に記載のツール。
【請求項２７】
前記磁石は、ＮｂＴｉを有するコイルを含むことを特徴とする請求項１または７に記載のツール。
【請求項２８】
前記ツールはさらに、動作中に前記磁石を９度Ｋ以下の温度に維持するための冷却システムを有することを特徴とする請求項１または７に記載のツール。
【請求項２９】
前記ツールはさらに、前記磁石を冷却するための冷却剤として液体ヘリウムの使用を含む冷却システムを有することを特徴とする請求項１または７に記載のツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗センサの構築に関するものであり、特に、超伝導磁石を使用して、磁気抵抗センサ内の磁性層の磁化を設定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの心臓部は、磁気ディスク装置と呼ばれるアセンブリである。磁気ディスク装置は、回転する磁気ディスクと、回転する磁気ディスクの表面に隣接したサスペンションアームによってつり下げられた書き込みヘッドおよび読み取りヘッドと、サスペンションアームを回動させて、読み取りヘッドおよび書き込みヘッドを回転ディスク上の選択された環状トラック上に位置付けるアクチュエータとを有する。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、エアベアリング面（ＡＢＳ）を有するスライダ上に直接配置される。ディスクが回転していないとき、サスペンションアームはスライダを付勢してディスクの表面と接触させる。一方、ディスクが回転するときは、ディスクの回転によって空気が渦巻き、エアベアリング上でスライダが浮上すると、書き込みヘッドおよび読み取りヘッドを使用して、回転ディスクに磁気の痕跡を書き込んだり、回転ディスクから磁気の痕跡を読み込んだりする。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、コンピュータプログラムに従って動作して書き込みおよび読み取り機能を実現する処理回路に接続されている。
【０００３】
書き込みヘッドは、第１、第２、および第３の絶縁層（絶縁スタック）に埋め込まれたコイル層を有する。絶縁スタックは、第１および第２の磁極層に挟まれている。書き込みヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）におけるギャップ層によって、第１および第２の磁極層の間には隙間が形成されている。また、磁極層は、バックギャップで接続されている。コイル層に導かれる電流は、磁極片内で磁束を誘起する。その結果、ＡＢＳの書き込みギャップにおいてフリンジ磁界が生じる。これは、前記の回転ディスク上の環状トラック内など、可動媒体上のトラック内に前記の磁気の痕跡を書き込むことを目的とする。
【０００４】
最近の読み取りヘッドの設計においては、回転磁気ディスクからの磁界を検知する目的で、スピンバルブセンサ（巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサとも呼ばれる）が使用されている。当該センサは、第１の強磁性層および第２の強磁性層（以下、それぞれ「ピン層」および「フリー層」と呼ぶ）と、第１および第２の強磁性層に挟まれた非磁性導体層（以下、「スペーサ層」と呼ぶ）とを有する。第１および第２の導線は、スピンバルブセンサに接続されている。このスピンバルブセンサは、これを通してセンス電流を伝導するためのものである。ピン層の磁化は、エアベアリング面（ＡＢＳ）に対して垂直に固定されている。フリー層の磁気モーメントは、ＡＢＳと平行した位置付けになっているが、外部磁界に応じて自由に回転することができる。ピン層の磁化は、一般に反強磁性層との交換結合によって固定される。
【０００５】
スペーサ層の厚さは、センサを通じた伝導電子の平均自由行程よりも小さくなるように選択される。この配置で、一部の伝導電子は、スペーサ層の、ピン層およびフリー層の各々とのインタフェースによって散乱させられる。ピン層およびフリー層の磁化が互いに平行であるとき、散在は最小になる。一方、ピン層およびフリー層の磁化が逆平行であるとき、散乱は最大になる。散乱の変化は、cosθに比例してスピンバルブセンサの抵抗を変える。ここで、θは、ピン層およびフリー層の磁化間の角度である。読み取りモードでは、スピンバルブセンサの抵抗は、回転するディスクからの磁場の大きさに比例して変化する。スピンバルブセンサを通じてセンス電流が伝導されるとき、抵抗の変化が、プレイバック信号として検出されて処理される潜在的変化を引き起こす。
【０００６】
スピンバルブセンサは、第１および第２の非磁性電気絶縁読み取りギャップ層の間に位置している。これらの第１および第２の読み取りギャップ層は、第１および第２の強磁性シールド層の間に位置している。一体化された磁気ヘッドにおいては、単一の強磁性層は、読み取りヘッドの第２のシールド層として機能するとともに、書き込みヘッドの第１の磁極層としても機能する。ピギーバックヘッドにおいては、第２のシールド層と第１の磁極層は別々の層である。
【０００７】
ピン層の磁化は、通常、強磁性層（ＡＰ１）の１つとＰｔＭｎなどの反強磁性体の層との交換結合によって固定される。ＰｔＭｎなどの反強磁性体（ＡＦＭ）材料は、それ自体では磁化しないが、磁性体と交換結合したときは、強磁性層の磁化を強力に固定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
データレートおよびデータ密度を絶えず高める要求は、さらに小型でパフォーマンスを向上させた磁気抵抗センサの開発を後押しした。しかし、センサの小型化が進むにつれて、ピニング磁界の強度が低下するという問題が生じる。センサのピニング磁界は、ピン層の磁化のピニングに打ち勝つのに必要な磁界の強度として理解することができる。例えば、ピニング磁界が非常に小さい場合、磁気ピニングに容易に打ち勝つことができ、ピン層の磁化の向きは、所望の向きから位相が１８０°異なる向きまで容易に切り替えることができる。これは「振幅フリッピング」として知られており、破局的なヘッドの故障を招く。振幅フリッピングにつながる場合には、ヘッドディスクの接点または静電放電などによるヒートスパイクまたは機械的ストレスなどが含まれる。従って、センサを高い信頼性で丈夫に使用するには、センサは非常に強力に固定されたピン層を有していなければならない（すなわち、高ピニング磁界）。
【０００９】
センサのピニング磁界を増加させる機構およびプロセスが提案された。しかし、ピン層のピニング磁界を増加させることは、製造中におけるピン層の磁化の設定には磁界の増加が必要であることも意味している。例えば、ピン層の磁化を設定するには、センサをＡＦＭ層の不粘着温度を超えるまで加熱する。不粘着温度は、ＡＦＭ層が反強磁性体でなくなり、ピン層との交換結合が失われる温度である。センサを不粘着温度よりも高い温度に保持している間、磁界をセンサに印加する。この磁界は、ＡＦＭ層に最も近い磁気ピン層を、エアベアリング面（ＡＢＳ）に対して垂直な所望の方向に磁化する。この磁界の印加は、不粘着温度を下回る温度までセンサを冷却する間継続される。この温度になると、ＡＦＭ層とそれに最も近い磁性層との間における交換結合によってピン層は所望の向きで固定される。
【００１０】
ピン層の設定に用いられる磁界は、従来は標準的なソレノイド電磁石によって供給された。そのような磁石は磁気コアを有しており、当該コアには導電性ワイヤが巻き付けられている。コアは、第１および第２の極を形成する。磁界を印加する間、両極の間にはウェーハが置かれる。この電磁石の形態は、ピン層を設定するのにわずか１．３テスラのオーダーで保持された磁力が必要であった先行技術によるセンサにとっては相応しかった。しかし、すでに述べたように、将来世代のセンサのピン層を設定するには、さらに大きな磁界が必要である。例えば、４テスラ以上の磁界が必要である。
【００１１】
従って、非常に高いピニング磁界を有するセンサ内でピン層を設定する機構の必要性が強く感じられる。そのようなピニング機構は、望ましくは、約４テスラ以上のオーダーで非常に高い磁界を発生させる手段を含む。そのような高磁界を発生させる手段も、センサの大量生産にとってはむしろ実際的である。これは、容易にアクセスできるとともに、標準的な建物またはクリーンルーム内で収納および維持管理することができるツールを使用することなどによって実現される。ウェーハを製造するそのようなツールでは、磁界が維持される領域内でウェーハを便利に操作することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、温度が上昇した状態で５テスラの磁界を有する超伝導磁石を備えたセンサＡＦＭを設定する方法および装置について取り扱う。電流設計では、超伝導磁石/アニール真空チャンバーを垂直方向に方向付ける。垂直設計に関する問題は、平らに置かれているのとは対照的に、ウェーハを「立てておく」必要があることである。「立てておく」ことによって、さらに高い温度勾配を経験する。また、垂直設計によって、アニールプロセス中のウェーハ操作（ウェーハを回転させる）の信頼性がかなり損なわれる。本発明は、水平超伝導磁石の設計で具体化することができる。水平超伝導磁石の設計では、アニールチャンバーは水平であり、均一な温度/磁界と信頼性の高い回転能力によってウェーハを平らに置いたままアニールすることができる。従来の方法によって磁石を回転させる一方で、垂直設計とは対照的にウェーハを水平に取り扱うには、多くの改良を行う必要がある。
【００１３】
逆平行ピン（ＡＰ）構造などの、ピン層構造の磁化を設定するための巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ヘッドおよびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ヘッドの生産において使用される従来の電磁石は、ＦｅまたはＣｏＦｅ合金などの最高の飽和磁化材料から作られる寸法の大きな大平面ポールキャップに依存する。これらの電磁石によって発生する、電磁石のポールキャップ間のエアーギャップ内または作業スペース内の磁界は、これらの合金の飽和磁化によって制限される。ここで、Ｆｅについては２１．５ＫＧまたは２．１５Ｔであり、Ｃｏ50Ｆｅ50合金については約２３ＫＧまたは２．３Ｔである。新しい薄膜ルテニウム（Ｒｕ）ＡＰピン構造を設定するには、約５Ｔのオーダーのさらに高い磁界が要求される。２Ｔを超える高磁界は、Bitter磁石設計に基づく従来のソレノイド電磁石で得ることができるが、そのような磁石のサイズと容積、発生する磁界の不均一性、持続性磁界の短い持続期間、高電流発生設備の多額なコスト、およびオーム導体によって生じる熱を放散させるための冷却水の要件によって、そのような設計は製造環境において実現不可能になる。超伝導磁石に基づく設計がこれらの限界を克服する。
【００１４】
超伝導体の通電容量はさらに高く、超伝導磁石は小さく比較的コンパクトであるため、サイズの制限が克服される。超伝導磁石は、直径を大きくして製造することができるため、磁界の均一性限界が克服される。超伝導磁石はその温度が臨界超電導温度以下に維持されている限り電流を伝導することができるため、持続期間の限界が克服される。Bitter磁石とは異なり、超伝導磁石はメガワット発電設備を必要としないため、高電流発生設備にかかる多額なコストの問題が克服される。超伝導磁石の電気抵抗は無視することができ、超伝導磁石はオーム熱を発生させないため、冷却水の要件が克服される。付随する経費および従来のソレノイド電磁石の制限なしに大きな磁界を発生させる能力によって、超伝導磁石は、高度なＧＭＲヘッドウェーハおよびＴＭＲヘッドウェーハ（両者とも直径５"以上）において薄膜ルテニウム（Ｒｕ）ＡＰピン構造および薄膜ルテニウム合金ＡＰピン構造の磁化を設定するのに理想的なものになる。さらに、超伝導磁石によって提供される広範囲に及ぶ高レベルの均一な磁界を保持する能力は、薄膜ルテニウム（Ｒｕ）ＡＰピン構造内に磁化を設定するのに必要な、長期で、２時間以上の、２００゜Ｃ以上における磁気アニールにとって絶対的要件である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＧＭＲまたはＴＭＲセンサ等の磁気抵抗効果センサをアニールするのに必要な高磁場を発生させることが可能な超伝導磁気ツールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
好ましい使用形態及び本発明の特徴および利点を十分に理解するために、以下に拡大縮小処理していない添付図面を参照してその詳細な説明を行う。
以下の説明は、本発明を実行するために現在考えられる最良の実施態様から構成されている。この説明は、本発明の一般原理を例証する目的で行うものであって、ここに特許請求する発明概念の限定を意図したものではない。
ここで図１を参照すると、本発明を具体化するディスクドライブ100が示されている。図１に示されるように、スピンドル軸114上で、少なくとも１台の回転可能な磁気ディスク112が支持されている。ディスクドライブモータ118が、磁気ディスク112を回転させる。各ディスク上の磁気記録は、磁気ディスク112上で同心データトラック(図示されていない)が環状に配置された形で行われる。
【００１７】
少なくとも１つのスライダ113が磁気ディスク112の近くに配置されており、各スライダ113は１つ以上の磁気ヘッドアセンブリ121を支持している。磁気ディスクが回転するとき、スライダ113は、ディスク面122の全体にわたって半径方向に内側および外側に移動する。その結果、磁気ヘッドアセンブリ121は、所望のデータが書き込まれる磁気ディスクの異なるトラックにアクセスすることができる。各スライダ113は、サスペンション115をはさんでアクチュエータアーム119に取り付けられている。サスペンション115によって、ディスク面122に対してスライダ113を付勢するわずかなスプリング力が与えられる。各アクチュエータアーム119は、アクチュエータ手段127に取り付けられている。図１に示すアクチュエータ手段127は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）でよい。ＶＣＭは、固定磁界内で動かせるコイルを有する。コイル運動の方向と速度は、コントローラ129から供給されるモータ電流信号によって制御される。
【００１８】
ディスク記憶システムの動作中、磁気ディスク112の回転によって、スライダ113とディスク面122の間にエアベアリングが生じる。このエアベアリングは、スライダに押上げ力または揚力を作用させる。このように、エアベアリングは、サスペンション115のわずかなスプリング力の釣り合いをとり、通常動作中に小さなほぼ一定の間隔をあけることによってディスク面から離れたわずかに上方でスライダ113を支持する。
【００１９】
ディスク記憶システムの種々の構成部分は、制御装置129によって生成される制御信号によって動作が制御される。これらの制御信号には、アクセス制御信号、内部クロック信号などが含まれる。一般に、制御装置129は、ロジック制御回路と、記憶手段と、マイクロプロセッサとを有する。制御装置129は、ライン123上のドライブモータ制御信号、およびライン128上のヘッド位置シーク制御信号などの、種々のシステム動作を制御する制御信号を生成する。ライン128上の制御信号は、所望の電流プロファイルを提供し、スライダ113を最適に移動してディスク112上の所望のデータトラックに位置付ける。記録チャネル125を経由して、書き込み信号は書き込みヘッドに伝達され、読み取り信号は読み取りヘッド121から伝達される。
【００２０】
ここで図２を参照すると、磁気ヘッドアセンブリ121（図１）は、ウェーハ202上に製造される。一枚のウェーハ202上には、そのようなヘッドが数千個製造される。図３は、ウェーハの拡大断面図である。このウェーハ上にはいくつかの磁気ヘッド121が形成されている。ウェーハは、アルミニウム炭化チタン（AlTiC）または他の材料から成る基板204を有する。各ヘッド121は、磁気抵抗センサ206と、誘導性の書き込み素子208を有する。理解しやすいように、図３に示される断面は、エアベアリング面（ＡＢＳ）が位置する場所で切断している。そのため、各書き込み素子の第１および第２の磁極端210、212のみが見える状態になっている。読み取り素子206および書き込み素子208は、アルミナなどの非磁性、電気絶縁材料214に埋め込まれている。
【００２１】
ここで図４を参照すると、読み取りセンサ206の構造についてさらに詳細に理解することができる。図４は、完成したヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）から見たときに現れる（すなわち、使用中に磁気媒体122（図１）に面する表面から見たときの）センサの図である。センサ206は、第１および第２の非磁性、電気絶縁ギャップ層404、406にはさまれたセンサスタック402を含む。ここに記載するセンサは、説明を目的とした電流面内センサとして解説される。しかし、センサが電流面垂直（ＣＰＰ）センサとして具体化される場合は、ギャップ層404、406は導電性導線層と置き換えられる。
【００２２】
センサスタック402は、フリー層408と、ピン層構造410と、フリー層408とピン層410にはさまれた非磁性導電スペーサ層412とを有する。フリー層は、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはこれらの組み合わせなどの磁性材料から構成される。スペーサ層412は、例えば、Ｃｕから構成される。ここではＧＭＲセンサとして記載されているが、センサがトンネルバルブである場合、層412は薄い非磁性電気絶縁障壁層である。センサスタック402の頂部には、Ｔａなどのキャッピング層414を設けて、製造中にセンサ層が受ける可能性のある損傷を防止するようにしてもよい。
【００２３】
フリー層408は、ＡＢＳと平行する所望の方向に付勢された磁化416を有する。当該フリー層は、センサスタック402のいずれかの側に形成された第１および第２のハードバイアス層418、420によって付勢される。バイアス層418、420は、例えば、ＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒから構成される。第１および第２の導電性導線層422、424は、各バイアス層の頂部に設けられる。導線422、424は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｒｈ、または他の導電性材料から構成される。
【００２４】
引き続き図４を参照すると、ピン層構造410は、逆平行のカプリング層430によって互いに分離された第１および第２の磁性層ＡＰ１ 426、ＡＰ２ 428を有する。これらの第１および第２の磁性層ＡＰ１ 426、ＡＰ２ 428は、例えば、Ｒｕから構成することができる。第１および第２の磁性層は、ＣｏＦｅなどの材料から構成することができる。ＡＰ１層およびＡＰ２層は、強力に逆平行に結合されている。その結果ＡＰ１層およびＡＰ２層は、互いに逆平行に方向付けられた磁化432、434を得る。反強磁性体層（ＡＦＭ層）436は、AP1層426の磁気磁化432を強力にピンするAP1層と交換結合されている。AFM層436は、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、または他の類似した材料から構成することができる。
【００２５】
ＡＰ１層426およびＡＰ２層428の磁化432、434の設定は、アニーリングプロセスによって達成することができる。アニーリングプロセスは、センサ206の温度を、ＡＦＭ層436の不粘着温度に近づくまで上昇させることを含む。不粘着温度とは、AFM層436とＡＰ１層426との間の交換結合が失われる時点の温度である。例えば、ＰｔＭｎの不粘着温度は約３５０゜Ｃである。ＰｔＭｎ ＡＦＭ層を有するセンサをアニールするとき、ウェーハの温度は、２１５〜３１５゜Ｃまたは約２６５゜Ｃなど２００゜Ｃを超えるまで上昇させられる。ＩｒＭｎは、わずかに低い不粘着温度を有する。従って、ＩｒＭｎ ＡＦＭ層を有するセンサをアニールするときも、ウェーハの温度は、１９０〜２９０゜Ｃまたは約２４０゜Ｃなど２００゜Ｃを超えるまで上昇させられる。
【００２６】
センサがこの温度に保持される間、センサに磁界を印加して、ＡＰ１層426およびＡＰ２層428の磁化432、434をＡＢＳに対して垂直な所望の方向に向ける。磁界を維持する間、センサはその不粘着温度よりもかなり低い温度まで、またはほぼ室温（約２０゜Ｃ）まで冷却される。ピン層410を設定する１つの方法では、磁化の方向付けに用いられる磁界を十分に強くして、磁界がＡＰ１層426とＡＰ２層428との間における逆平行結合に打ち勝つようにしている。これによって、センサがＡＦＭ層436の不粘着温度を上回る温度に保持されている間、磁化432、434は同じ方向を指し示す。センサが冷却されて磁界が取り除かれたとき、磁化434は、層432、434間の逆平行結合のために１８０°回転する。その間、ＡＰ１層426の磁化432は、磁界の印加中に向けられていた方向にそのまま向けられる。ＡＦＭとＡＰ１層426の間における強い交換結合は、磁化432をこの方向に強力に固定した状態に保つ。
【００２７】
認識されるように、上述したようなピン層をアニールするための磁界を供給するには、ツールが要求される。先行技術によるセンサでは、Bitter磁石設計に基づいて、ソレノイド磁石によって提供される磁界の中でアニールされた。そのような磁石は、第１および第２の極を形成する強磁性コアと、当該コアに巻き付けられた導電性コイルとを含む。表面にセンサが製造されるウェーハは、磁石の両極の間に置かれる。この位置で、一方の極から他方の極まで広がる磁界がピン層の磁化を設定する。
【００２８】
発明の背景ですでに論じたように、センサのパフォーマンスに対する要求によって、ピニング磁界を常に増加させることが必要になる。ピニング磁界を増加させるには、以前に要求されたレベルよりも高いピン層設定用の磁界が要求される。説明した磁石のような従来のソレノイド磁石は、約１〜３テスラまたは約１．３テスラのオーダーの磁界を発生させることができる。現在および将来の世代のセンサは、ピン層の磁化を効果的に設定するために５テスラのオーダーの磁界を必要とする。２Ｔを超える高磁界は、Bitter磁石設計に基づく従来のソレノイド電磁石で得ることができるが、そのような磁石のサイズと容積、発生する磁界の不均一性、持続性磁界の短い持続期間、高電流発生設備の多額なコスト、およびオーム導体によって生じる熱を放散させるための冷却水の要件によって、そのような設計は製造環境において実現不可能になる。上述したようなＡＰピン構造を設定するには、ウェーハを、２００゜Ｃを超えるオーダーの温度で磁界の中に２時間以上保持しなければならない。
【００２９】
現在および将来の世代のセンサをアニールするのに必要な高磁場を発生させることが可能な超伝導磁気ツールが開発された。発明の要約ですでに述べたように、超伝導磁石に基づく設計は、従来のソレノイド電磁石の数多くの制限を克服する。例えば、超伝導体の通電容量はさらに高く、超伝導磁石は小さく比較的コンパクトであるため、サイズの制限を克服することができる。超伝導磁石は、直径を大きくして製造することができるため、磁界の均一性限界を克服する。超伝導磁石はその温度が臨界超伝導温度以下に維持されている限り電流を伝導することができるため、保持される持続期間の限界が克服される。さらに、高電流発生設備にかかる多額なコストは問題でない。なぜならば、Bitter磁石とは異なり、超伝導磁石はメガワット発電設備を必要としないからである。加えて、超伝導磁石の電気抵抗は無視することができ、超伝導磁石はオーム熱を発生させないため、冷却水の要件は事実上取り除かれる。付随する経費および従来のソレノイド電磁石の制限なしに大きな磁界を発生させる能力によって、超伝導磁石は、高度なＧＭＲヘッドウェーハおよびＴＭＲヘッドウェーハ（両者とも直径５"以上）において薄膜ルテニウム（Ｒｕ）ＡＰピン構造および薄膜ルテニウム合金ＡＰピン構造の磁化を設定するのに理想的なものになる。さらに、超伝導磁石によって提供される広範囲に及ぶ高レベルの均一な磁界を保持する能力は、薄膜ルテニウム（Ｒｕ）ＡＰピン構造内に磁化を設定するのに必要な、長期で、２時間以上の、２００゜Ｃ以上における磁気アニールにとって絶対的要件である。
【００３０】
しかし、以前に構築した超伝導磁石を、磁気抵抗センサをアニールする目的で使用するのは不適切である。以前に開発した超伝導磁石は、セラミックチューブを含む。このセラミックチューブは、当該セラミックチューブを取り囲む超伝導コイルに対して垂直に方向付けられている。セラミックチューブに巻き付けられた発熱体は、アニールする間にウェーハを所望の温度まで加熱するのに使用される。ウェーハを磁界に曝すには、ウェーハをセラミックチューブの中で保持しなければならない。現在利用可能なツールを使用する場合、これはチューブの底部または頂部を通じてウェーハをロードしなければならないことを意味しており、ウェーハのロードが極端に困難になる。
【００３１】
加えて、チューブを垂直に方向付けると、チューブ内でウェーハを操作することが極端に困難になる。チューブ内の磁界は、チューブの長さ方向に沿って方向付けられる。このことは、チューブが垂直に方向付けられたとき、磁界の中でセンサを正確に方向付けるには、ウェーハをそのエッジ上で保持しなければならないことを意味する。そのような方向付けによって、垂直位置でウェーハを保持して操作することが可能なある種の複合クランプ装置上でウェーハを保持することが必要になる。２時間を超える持続期間の間、５テスラの磁界がある状態で、２００゜Ｃを超える温度でウェーハを保持しなければならないことに留意すると、ウェーハを操作するためのいずれの複合機構にも、深刻な信頼性とメンテナンスの問題が生じる。
【００３２】
また、超伝導磁石を使用してそのような高磁界を維持するには、チューブの内部を排気しなければならない。これによって、装置を固定して操作する複合ウェーハの利用がさらに困難になる。なぜならば、作動機構を排気チャンバー内の厳しい環境下に置くか、またはチャンバーを突き通さなければならず、排気がさらに困難になるからである。
【００３３】
さらに、そのようなツールを収納して保持しなければならないことは、大きな障害となる。そのような装置のセラミックチューブは、約６フィートの軸に沿った長さを有する。チューブは垂直に方向付けられているため、ツールは、シーリングが約１２フィートしかない標準的なクリーンルーム内に収納することができない。例えば、そのような垂直に方向付けられたツールを保持して、ツールの内部にアクセスすることによりウェーハをロードするには、オペレータは、約１４フィートの高さでツールの頂部にアクセスしなければならない。
【００３４】
図５および図６は、本発明の実施の形態に係る超伝導アニールツール500の概略図である。図５を参照すると、最も基本的には、ツール500は、例えばクォーツから成るセラミックチューブ502と、セラミックチューブ502を包み込んだ磁石を形成する超伝導コイル504とを有する。プラッタ、テーブルまたはトレイ506上に保持されたウェーハ202は、チューブの端にある穴を通ってチューブ502に入る。
【００３５】
ここでさらに詳細なツール500の断面を示す概略図である図６を参照すると、ツール500は退避チャンバー508を有する。当該退避チャンバー508は、キャップ520によってセラミックチューブ502の両端を覆い、チューブを退避させるポンプ（図示されていない）を設けることによって形成することができる。磁石504は磁気シールド510に取り囲まれており、ツール500によって生じる高磁界にオペレータが曝されるのを防止する。チューブ502の端にあるキャップ520の少なくとも１つは、ウェーハ202を挿入するためのドアで構成する。
【００３６】
真空チャンバー508は、導電性加熱コイル511に取り囲まれている。この加熱コイルを使用して、チャンバー内部のウェーハ202の温度を、上述したセンサ206をアニールするのに必要な温度に上昇させることができる。
【００３７】
チューブ502は、水平面514および垂直面516を基準に方向付けられた縦軸512を有する。ツール500の縦軸502は、水平面514に対してほぼ平行に方向付けられるとともに、垂直面516に対してほぼ垂直に方向付けられるように構成される。しかし、軸512は、水平面514に対して例えば０〜３０゜の角度を有してもよい。同様に、ツールの環境における重力（ベクトル518として表される）は、セラミックチューブ502の縦軸512に対して垂直な方向に向けられる。
【００３８】
縦軸が水平線（水平面514）とほぼ平行になるようにツール500を方向付けることによって、先行技術の設計に数多くの実質的な利点が得られる。例えば、２つのキャップ520の１つに設けられたドアまたは開口を通じて、ウェーハ506をチューブ502の端から容易にロードすることができる。これによって、ウェーハのロードがかなり容易になる。なぜならば、垂直に方向付けられている場合に梯子または足場を登ってチューブの端に到達することをオペレータに要求することに比較して、チューブ502の端は、地面に立っているオペレータにアクセス可能な高所に位置しているためである。
【００３９】
さらに、いずれの複合クランプ装置をも使用せずに、ウェーハをプラッタ506上で容易に保持することができる。なぜならば、重力518の助けを借りてウェーハ202をプラッタ506上で保持することができるためである。支持構造522を設けてハウジング内でプラッタ506を支持してもよい。支持構造522は、アクチュエータ機構524およびサーボ装置526を有する。これらによって、プラッタ506がチューブ502内にある間、プラッタ506の方向付けまたは回転を行う。設計を単純化することによってメンテナンスを改善して製造コストを下げるために、任意でアクチュエータ機構を取り除いてもよい。アクチュエータ524およびサーボ526が含まれない場合、所望の向きにあるプラッタにウェーハを置いた後、チューブ502内部の適切な位置にプラッタをロードすることによって、ウェーハの適切な方向付けを確実に行うことができる。都合の良いことに、ウェーハは重力によってプラッタ506上に保持することができるため、チューブ502内部でウェーハを支持する機構をかなり単純化することができる。
【００４０】
ここで図７を参照すると、本発明の別の実施例では、セラミックチューブ502からは切り離された真空チャンバー702を設けて、磁気コイル504を取り囲む空気を排出する。この真空チャンバー702は、環状またはドーナツ状の形にすることができる。その場合、セラミックチューブ502がドーナツの中央にある穴を通って伸びた状態になる。この分離した退避チャンバー704は、磁気コイル504を熱的に絶縁して、コイル504を極低温（約９度Ｋ）に保つのを助ける。この極低温は、コイルをソリッドステートに維持してコイルの超伝導性を発揮させるのに必要である。
【００４１】
すでに述べたように、磁気コイル504の超伝導特性を維持するには、コイルを極低温で保持しなければならない。例えば、コイル504は、ＮｂＴｉで構成することができ、約９度Ｋの温度に保たなければならない。この低温は、冷却コンジットコイル(図示されていない)およびコンプレッサ(図示されていない)を有する冷却システムを使用するとともに、Ｈｅなどの材料を冷媒として使用することによってコイル504を冷却することを含むプロセスによって維持することができる。図７を参照して論じたように、コイルを真空にしておくことによって、冷却をさらに改善することができる。
【００４２】
図８は、実施例による外側から示されたツール800の透視図である。図８は、ツール800の外側にある多数のウェーハ802を示しており、ツール800にウェーハをロードする際にツール800の端にアクセスしやすいことを図示したものである。
【００４３】
ここで図９を参照すると、磁気抵抗センサを製造する方法900が説明されている。方法900は、基板を設けるステップ902から開始する 。基板は、例えばアルミニウム炭化チタン（AlTiC）から構成されるウェーハである。または、Ｓｉなどの他の材料である。その後、ステップ904において、複数のセンサが基板（ウェーハ）上に形成される。これらのセンサは、ピン層構造と、フリー層構造と、フリー層とピン層にはさまれた非磁性スペーサまたは障壁層とを有する。ピン層構造は、Ｒｕなどのカプリング層によって互いに分離された第１および第２の磁性層ＡＰ１、ＡＰ２を含む。磁性層ＡＰ１の１つは、反強磁性体（ＡＦＭ）層と交換結合される。ＡＦＭ層は、不粘着温度を有する。この不粘着温度は、ＡＦＭ層がその反強磁性を失ってＡＰ１との交換結合を失う温度である。ステップ906において、水平に配置された超電導性磁気ツールが設けられる。ツールは、セラミックチューブを有する。このセラミックチューブは、クォーツで構成されており、当該チューブの周囲に巻かれた超伝導コイルによって取り囲まれている。チューブは、ほぼ水平に方向付けられた縦軸を有する。ツールには、支持構造と接続されたプラッタも含まれる。この支持構造は、チューブの縦軸と平行な方向に沿ってプラッタをチューブまで横に移動するように構成されている。支持構造は、ほぼ垂直な軸のまわりでプラッタを回転させるように構成してもよい（すなわち、水平面でプラッタを回転させる）。または、回転しないようにプラッタを固定した状態に構成してもよい。ステップ908では、ウェーハ（基板およびセンサ）を超伝導磁気ツールの内部に置く。ウェーハは、プラッタ上に置くことによってツール内へロードすることができる。ツール内では、ウェーハは、留められているというよりもチューブが水平を向いていることによる重力によって保持することができる。
【００４４】
ステップ910では、ウェーハを、基板上に形成されるセンサのＡＦＭ層の不粘着温度に近い温度まで加熱する。センサ内でＰｔＭｎ ＡＦＭ層が使用される場合、この温度は２１５〜３１５゜Ｃまたは約２６５゜Ｃである。ＩｒＭｎ ＡＦＭ層が使用される場合、アニール温度は約１９０〜２９０゜Ｃまたは約２４０゜Ｃである。次に、ステップ912において、ツールを作動させてウェーハが置かれているチューブ内に磁界を発生させる。この磁界の値は、４〜６テスラまたは約５テスラである。この磁界は、チューブを取り囲む超伝導コイルを通じて電流を伝導することによって発生する。超伝導コイルが発生させるオーム熱は無視できるほどわずかであるため、多量の電流を長時間供給することができる。
【００４５】
引き続き図９を参照すると、ステップ914において、ウェーハの磁界と温度は両方とも所望の持続期間にわたって維持される。この持続期間は、望ましくは１時間を超える。例えば、１〜３時間または約２時間、または５時間以上が可能である。その後、ステップ916において、不粘着温度を下回るまでウェーハを十分に冷却する。例えば、１００゜Ｃを下回る温度まで、または室温になるまで冷却する。ウェーハを所望の温度まで冷却している間、磁界を維持する。これは、ＡＦＭ層が反強磁性になってピン層のＡＰ１層と交換結合になったときに、エアベアリング面（ＡＢＳ）がある平面に対して垂直な所望の方向にＡＰ１層が確実に磁化されるようにするためである。ウェーハの温度が所望の温度（すなわち、１００゜Ｃを下回る温度または室温）まで下がった後、磁気ツールの動作を止めて磁界の発生を停止する。その後、水平に配置されたチューブの端を通して、ツールからウェーハを容易に取り出すことができる。
【００４６】
これまで種々の実施例を説明してきたが、それらは例として提示しただけであり、その範囲を限定するものではないことを理解されたい。本発明の範囲内に属する他の実施例も、当業者には明らかであろう。したがって、本発明の広さ及び範囲は、先に説明した実施態様のいずれによっても限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によってのみ定まる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ディスクドライブシステムの概略図である。
【図２】複数の磁気ヘッドがその上に形成されたウェーハの透視図である。
【図３】複数の磁気抵抗センサがその上に形成されたウェーハの横断面図である。
【図４】図３のウェーハ上に形成することができるセンサの例を示すＡＢＳの図である。
【図５】ウェーハ上のセンサをアニールしてピン層の磁化を設定することができる超伝導磁気ツールの概略図である。
【図６】ウェーハ上のセンサをアニールしてピン層の磁化を設定することができる超伝導磁気ツールの概略図である。
【図７】本発明の別の実施例による、センサをアニールすることができる超伝導磁気ツールの概略図である。
【図８】磁気抵抗センサをアニールするツールを示す外観図である。
【図９】センサを構築する方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１２１…磁気ヘッドアセンブリ、２０２…ウェーハ、２０４…基板、２０６…磁気抵抗センサ、２０８…書き込み素子、２１０…第１の磁極端、２１２…第２の磁極端、４０２…センサスタック、４０４，４０６…ギャップ層、４０８…フリー層、４１０…ピン層構造、４１２…非磁性導電スペーサ層、４１４…キャッピング層、４１６…磁化、４１８，４２０…ハードバイアス層、４２２…第１の導線、４２４…第２の導線、４３０…カプリング層、４２６…ＡＰ１、４２８…ＡＰ２、４３２，４３４…磁化、４３６…ＡＦＭ層、５００…超伝導磁石ツール、５０２…セラミックチューブ、５０４…超伝導コイル、５０６…トレイ、５０８…退避チャンバー、５１０…磁気シールド、５１１…導電性加熱コイル、５１２…縦軸、５１８…重力、５２０…キャップ、５２２…支持構造、５２４…アクチュエータ機構、５２６…サーボ装置、７００…超伝導磁石ツール、７０２…真空チャンバー、７０４…退避チャンバー、８００…アニールツール、８０２…ウェーハ。
【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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【図８】
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【図９】
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