(57)【要約】【課題】  簡素な構成でありながら作動時の温度上昇を抑制でき、出力電圧の増大を図ることのできる磁気再生ヘッドを提供する。【解決手段】  互いに異なる熱電能を有する下部および上部リード層２１，２３を、ＧＭＲ素子１０を挟んで対向するように隣接配置し、さらに、その外側に下部および上部ヒートシンク２５，２６を設ける。上部および下部リード層２１，２３を介してＧＭＲ素子１０に適切な方向のセンス電流を流すことにより、ＧＭＲ素子１０で発生するジュール熱を、熱電効果を利用して下部および上部ヒートシンク２５，２６によって継続的に吸収し、ＧＭＲ素子１０を冷却する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するマイクロ素子を冷却する方法であって、
第１のリード層を、前記マイクロ素子の第１の面と接続するステップと、
前記第１のリード層とは異なる熱電能を有する第２のリード層を、前記マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接続するステップと、
前記第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方を、ヒートシンクと接続するステップと、
前記第１および第２のリード層を介して前記マイクロ素子へ流した直流電流に起因して前記マイクロ素子に生ずる熱を前記ヒートシンクへ移動させるステップと
を含むことを特徴とするマイクロ素子の冷却方法。
【請求項２】
前記第１のリード層を構成する材料として、
ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含むものを用いる
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ素子の冷却方法。
【請求項３】
前記第２のリード層を構成する材料として、
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含むものを用いる
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ素子の冷却方法。
【請求項４】
前記第１のリード層を構成する材料として、ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ）またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）を用い、
前記第２のリード層を構成する材料として、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）または銅（Ｃｕ）を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ素子の冷却方法。
【請求項５】
前記マイクロ素子は、磁気抵抗効果素子である
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ素子の冷却方法。
【請求項６】
前記マイクロ素子は、少なくとも１×１０4μＷ／μｍ2の電力レベルに対応するものである
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ素子の冷却方法。
【請求項７】
下部ヒートシンクを形成する工程と、
前記下部ヒートシンクの上に下部リード層を形成する工程と、
前記下部リード層の上に、反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層とキャップ層とを順に積層して磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記磁気抵抗効果素子のキャップ層の上に、前記下部リード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料を用いて上部リード層を形成する工程と
を含むことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項８】
ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含む材料を用いて、前記第１のリード層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項９】
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含む材料を用いて、前記第２のリード層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ）またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）を用いて前記第１のリード層を形成し、
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）または銅（Ｃｕ）を用いて前記第２のリード層を形成する  ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
導電性を有する材料を用いて前記非磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
電気絶縁性を有する材料を用いて前記非磁性層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１３】
少なくとも１×１０4μＷ／μｍ2の電力レベルに対応するように前記磁気抵抗効果素子を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１４】
０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなすように前記下部リード層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１５】
０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなすように前記上部リード層を形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１６】
マイクロ素子と、
前記マイクロ素子の第１の面と接する第１のリード層と、
前記第１のリード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料からなり、前記マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接する第２のリード層と、
前記第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方と接続されたヒートシンクと
を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項１７】
前記第１のリード層を構成する材料は、
ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含んでいる
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項１８】
前記第２のリード層を構成する材料は、
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含んでいる
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項１９】
前記第１のリード層を構成する材料は、ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ）またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）であり、
前記第２のリードを構成する材料は、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）または銅（Ｃｕ）である
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項２０】
前記マイクロ素子は、磁気抵抗効果素子である
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項２１】
前記マイクロ素子は、少なくとも１×１０4μＷ／μｍ2の電力レベルに対応するものである
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項２２】
前記ヒートシンクは、複数の前記マイクロ素子が配列された基板である
ことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロデバイス。
【請求項２３】
下部ヒートシンクと、
この下部ヒートシンクの上に設けられた下部リード層と、
この下部リード層の上に設けられた磁気抵抗効果素子と、
この磁気抵抗効果素子の上に設けられ、前記下部リード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料からなる上部リード層と、
この上部リード層の上に設けられた上部ヒートシンクと
を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、前記下部リード層の側から反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層と、キャップ層とが順に積層されたものである
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項２４】
前記下部リード層を構成する材料は、
ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含んでいる
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２５】
前記上部リード層を構成する材料は、
ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含んでいる
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２６】
前記下部リード層を構成する材料は、ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ）またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）であり、
前記上部リード層を構成する材料は、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）または銅（Ｃｕ）である
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２７】
前記非磁性層は、導電性を有する材料により構成されている
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２８】
前記非磁性層は、電気絶縁性を有する材料により構成されている
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項２９】
前記磁気抵抗効果素子は、少なくとも１×１０4μＷ／μｍ2の電力レベルに対応するものである
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項３０】
前記下部リード層は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなしている
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項３１】
前記上部リード層は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなしている
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項３２】
前記下部および上部ヒートシンクのうちの少なくとも一方は、複数の前記磁気抵抗効果素子が配列された基板である
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項３３】
前記上部ヒートシンクは、隣接配置された磁気記録ヘッドの一部を構成するものである
ことを特徴とする請求項２３に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項３４】
導電性を有するマイクロ素子を冷却する方法であって、
負の熱電能を有する第１のリード層を、前記マイクロ素子の第１の面と接続するステップと、
正の熱電能を有する第２のリード層を、前記マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接続するステップと、
前記第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方を、ヒートシンクと接続するステップと、
前記第１のリード層から前記マイクロ素子を経由して前記第２のリード層へ向かうように直流電流を流すことにより、前記マイクロ素子が発生する熱を前記ヒートシンクへ移動させるステップと
を含むことを特徴とするマイクロ素子の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ素子の冷却方法、冷却機能を備えたマイクロデバイスならびに冷却機能を備えた磁気再生ヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、磁気テープや磁気ディスクなどの磁気記録媒体から、それらに磁気的にコード化されて記録された情報（磁気情報）を読み出すにあたり、磁気抵抗効果素子を備えた磁気再生ヘッドが使用されている。近年、急激な技術環境の変化に伴い、磁気記録媒体に記録される磁気情報の記録密度が著しく向上している。このように高記録密度化した記録媒体の読出を行う場合には、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Giant Magnero-Resistance）素子を備えた磁気再生ヘッド（以下、ＧＭＲヘッドという。）が好適である。なお、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）とは、磁化された固体中を電子が通過する際に、その電子のスピン方向によって規定される磁化ベクトルと周囲の磁化方向との関係により、抵抗変化量が変動する現象である。この抵抗変化量の変動には、格子散乱が影響している。ＧＭＲヘッドのなかでも、特に、ＧＭＲ素子を構成する積層膜の積層方向にセンス電流を流すＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）型のＧＭＲヘッド（以下、ＣＰＰ−ＧＭＲという。）は、１８０Gbit／inch2（≒２．７９×１０5Gbit／m2）を超えるような極めて高い記録密度にも対応できるものと期待されている。
【０００３】
図３に、従来の一般的なＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの断面構成例を示す。このＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、反強磁性ピンニング層（固定作用層）１１２、ピンド層（被固定層）１１４、非磁性スペーサ層１１５、フリー層（磁化自由層）１１６およびキャップ層（保護層）１１７が順に積層されたＧＭＲ素子１１０と、このＧＭＲ素子１１０の上部および下部と接するように対向配置された下部および上部リード層１１１Ａ，１１１Ｂとを備えている。さらに、シード層（図示せず）が、反強磁性ピンニング層１２と下部リード層１１１Ａとの間に設けられることもある。このような構成のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、センス電流が、例えば下部リード層１１１Ａから入りＧＭＲ素子１１０を通過したのち上部リード層１１１Ｂから出ることとなる。場合によっては、逆方向でもよい。従来においては、下部および上部リード層１１１Ａ，１１１Ｂは、高い導電性を有する銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などから選択される同一の材料により形成されていた。互いに異なる材料を用いて構成する必要性がないからである。
【０００４】
このようなＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、記録密度の向上に対応するにあたり、その寸法の減少を要求されることとなる。例えば、１８０Gbit／inch2の場合、平面の寸法が０．１μｍ×０．１μｍ程度であることが求められる。一方で、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを設計する場合、磁気記録媒体による磁界を検知する際に十分な出力電圧Ｖoutを得ることができるかどうかを考慮する必要がある。磁界中において得られる抵抗変化量をＤＲとし、ＧＭＲ素子を通過するセンス電流をＩとすると、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの出力電圧Ｖoutは
Vout＝ＤＲ×Ｉ
となる。この式から明らかなように、より大きな出力電圧Ｖoutを得るには、抵抗変化量ＤＲおよびセンス電流Ｉをより大きくすればよい。
【０００５】
ところが、出力電圧Ｖoutの向上を目的とする従来の試みの多くは、抵抗変化量ＤＲを増大させようとしたものであった。センス電流Ｉは既に最大値に達しており、さらに増大させてしまうと、ＧＭＲ素子の作動時の温度が許容レベルを超えてしまうと考えられたからである。特にＧＭＲ素子の寸法が非常に小さくなっているので、センス電流Ｉを増大させることは抵抗変化量ＤＲを増大させるのと同様に困難なことである。すなわち、ＧＭＲ素子が微小化することにより（センス電流Ｉが一定の場合）電流密度Ｊが増大することとなるので、結果的に、ジュール熱も増大してしまうのである。ジュール熱が増大するとＧＭＲ素子が損傷を受けるおそれもあることから、センス電流Ｉをさらに増大させるには、ＧＭＲ素子を冷却するための冷却装置を設ける必要があった。
【０００６】
そこで、Ghoshalは、微小な冷却装置（micro-cooler）と接続するようにしたＧＭＲヘッド（などのデバイス）について開示している（特許文献１および２を参照）。また、Sin等、Lederman等およびDykes等は、一般的なＣＰＰ−ＧＭＲヘッドに関して、それぞれ特許文献３〜５において開示している。
【特許文献１】米国特許第６４５２７４０号明細書
【特許文献２】米国特許第６１０５３８１号明細書
【特許文献３】米国特許第６３５３３１８号明細書
【特許文献４】米国特許第５６２７７０４号明細書
【特許文献５】米国特許第５６６８６８８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１などに開示された従来の冷却装置を備えたＧＭＲヘッド（マイクロデバイス）では、ＧＭＲ素子（マイクロ素子）とは別体としての冷却装置を設けるようにしている。このため、全体として大きく、かつ複雑な構成のＧＭＲヘッド（マイクロデバイス）となっていた。
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、簡素な構成を確保しつつ、マイクロ素子を継続的に冷却することのできる方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、簡素な構成でありながら作動時の温度上昇を抑制でき、出力電圧の増大を図ることのできる磁気再生ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第３の目的は、簡素な構成でありながら作動時の温度上昇を抑制することのできるマイクロデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るマイクロ素子の冷却方法は、導電性を有するマイクロ素子を冷却するものであって、第１のリード層を、マイクロ素子の第１の面と接続するステップと、第１のリード層とは異なる熱電能（thermoelectric power）を有する第２のリード層を、マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接続するステップと、第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方を、ヒートシンクと接続するステップと、第１および第２のリード層を介して前記マイクロ素子へ流した直流電流に起因してマイクロ素子に生ずる熱をヒートシンクへ移動させるステップとを含むようにしたものである。ここで、「熱電能」とは、２つの接点を有する物体において、一方の接点の温度を一定に保った状態で他方の接点の温度を１Ｋ（ケルビン）だけ変化させたときの熱起電力の変化を意味するものであり、熱電率とも呼ばれる。
【００１２】
本発明に係るマイクロ素子の冷却方法では、第１および第２のリード層を介してマイクロ素子へ流した直流電流に起因してマイクロ素子に生ずる熱を、第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方と接続されたヒートシンクへ移動させるようにしたので、直流電流の方向が適切であればマイクロ素子から第１および第２のリード層へ向かうように熱が移動する。さらに、第１および第２のリード層へ移動した熱のうちの少なくとも一方は、ヒートシンクによって吸収される。
【００１３】
本発明に係る他のマイクロ素子の冷却方法は、導電性を有するマイクロ素子を冷却する方法であって、負の熱電能を有する第１のリード層を、マイクロ素子の第１の面と接続するステップと、正の熱電能を有する第２のリード層を、マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接続するステップと、第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方を、ヒートシンクと接続するステップと、第１のリード層からマイクロ素子を経由して第２のリード層へ向かうように直流電流を流すことにより、マイクロ素子が発生する熱をヒートシンクへ移動させるステップとを含むようにしたものである。ここで、「正の熱電能」および「負の熱電能」とは、それぞれ、マイクロ素子の通常使用温度における材料固有の値である。
【００１４】
本発明に係る他のマイクロ素子の冷却方法では、熱電効果により、マイクロ素子から第１および第２のリード層へ向かうように熱が移動する。さらに、第１および第２のリード層へ移動した熱のうちの少なくとも一方は、ヒートシンクによって吸収される。
【００１５】
本発明に係る磁気再生ヘッドの製造方法は、下部ヒートシンクを形成する工程と、この下部ヒートシンクの上に下部リード層を形成する工程と、この下部リード層の上に反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層とキャップ層とを順に積層して磁気抵抗効果素子を形成する工程と、この磁気抵抗効果素子のキャップ層の上に、下部リード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料を用いて上部リード層を形成する工程とを含むようにしたものである。
【００１６】
本発明に係る磁気再生ヘッドは、下部ヒートシンクと、この下部ヒートシンクの上に設けられた下部リード層と、この下部リード層の上に設けられた磁気抵抗効果素子と、この磁気抵抗効果素子の上に設けられ、下部リード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料からなる上部リード層と、この上部リード層の上に設けられた上部ヒートシンクとを備えるようにしたものである。上記の磁気抵抗効果素子は、下部リード層の側から反強磁性ピンニング層と、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、フリー層と、キャップ層とが順に積層されたものである。
【００１７】
本発明に係る磁気再生ヘッドおよびその製造方法では、磁気抵抗効果素子を挟むように、互いに異なる熱電能を有する下部および上部リード層を設けるようにしたので、下部および上部リード層を介して磁気抵抗効果素子に適切な方向の電流が流れると、磁気抵抗効果素子で発生する熱が熱電効果によって下部および上部リード層へ移動することとなる。さらに、下部および上部リード層とそれぞれ接するように下部および上部ヒートシンクを設けるようにしたので、下部および上部リード層へ移動した熱は下部および上部ヒートシンクによって吸収される。
【００１８】
本発明に係るマイクロデバイスは、マイクロ素子と、このマイクロ素子の第１の面と接する第１のリード層と、この第１のリード層を構成する材料とは異なる熱電能を有する材料からなり、マイクロ素子における第１の面とは反対側の第２の面と接する第２のリード層と、第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方と接続されたヒートシンクとを備えるようにしたものである。
【００１９】
本発明に係るマイクロデバイスでは、上記の構成により、第１および第２のリード層を介してマイクロ素子に適切な方向の電流が流れると、マイクロ素子で発生する熱が、熱電効果によって第１および第２のリード層へ移動することとなる。さらに、第１および第２のリード層へ移動した熱のうちの少なくとも一方は、ヒートシンクによって吸収される。
【００２０】
本発明に係るマイクロ素子の冷却方法、磁気再生ヘッドおよびその製造方法ならびにマイクロデバイスでは、ニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含む材料によって第１のリード層を構成することが望ましく、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含む材料によって第２のリード層を構成することが望ましい。特に、第１のリード層を構成する材料としてニッケル銅合金（ＮｉＣｕ）またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）を用い、第２のリード層を構成する材料としてニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）または銅（Ｃｕ）を用いることが望ましい。
【００２１】
本発明に係るマイクロ素子の冷却方法、磁気再生ヘッドおよびその製造方法ならびにマイクロデバイスでは、少なくとも１×１０4μＷ／μｍ2の電力レベルに対応可能なようにマイクロ素子または磁気抵抗効果素子を構成することが望ましい。
【００２２】
本発明に係る磁気再生ヘッドおよびその製造方法では、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなすように下部および上部リード層を構成することが望ましい。
【００２３】
本発明に係るマイクロデバイスでは、ヒートシンクが、複数のマイクロ素子を配列させて保持する基板であってもよい。
【００２４】
本発明に係る磁気再生ヘッドでは、上部ヒートシンクが、隣接配置された磁気記録ヘッドの一部を構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るマイクロ素子の冷却方法によれば、マイクロ素子の両側に、互いに異なる熱電能を有する第１および第２のリード層を隣接させ、さらに、それら第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方をヒートシンクと接続したのち、第１および第２のリード層を介してマイクロ素子へ流した直流電流に起因してマイクロ素子に生ずる熱をヒートシンクへ移動させるようにしたので、簡素な構成でありながら、マイクロ素子を継続的に冷却することができる。
【００２６】
本発明に係る他のマイクロ素子の冷却方法によれば、負の熱電能を有する第１のリード層と正の熱電能を有する第２のリード層とを、マイクロ素子の両側に隣接配置し、第１および第２のリード層のうちの少なくとも一方をヒートシンクと接続したのち、第１のリード層からマイクロ素子を経由して第２のリード層へ向かうように直流電流を流すことによりマイクロ素子が発生する熱をヒートシンクへ移動させるようにしたので、簡素な構成でありながら、マイクロ素子を継続的に冷却することができる。
【００２７】
本発明による磁気再生ヘッドおよびその製造方法によれば、互いに異なる熱電能を有する下部および上部リード層を、磁気抵抗効果素子を挟んで対向するように隣接配置し、さらに、その外側に下部および上部ヒートシンクを設けるようにしたので、下部および上部リード層を介して磁気抵抗効果素子に適切な方向の電流を流すことにより、磁気抵抗効果素子で発生する熱を、熱電効果を利用して下部および上部ヒートシンクによって継続的に吸収することができる。よって、簡素な構成でありながら磁気抵抗効果素子の温度上昇を抑制し、出力電圧の増大を達成することができる。
【００２８】
本発明によるマイクロデバイスによれば、互いに異なる熱電能を有する第１および第２のリード層をマイクロ素子の両側に隣接配置し、さらに、ヒートシンクを備えるようにしたので、第１および第２のリード層を介してマイクロ素子に適切な方向の電流を流すことにより、マイクロ素子で発生する熱を、熱電効果を利用してヒートシンクによって継続的に吸収することができる。よって、簡素な構成でありながらマイクロ素子の温度上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気再生ヘッド（マイクロデバイス）の構成について説明する。なお、マイクロ素子の冷却方法については、以下に述べる本実施の形態に係る磁気再生ヘッドの説明および後述する磁気再生ヘッドの製造方法の説明によって明らかとなるので、併せて説明するものとする。
【００３１】
図１は、本実施の形態の磁気再生ヘッドの断面構成を表すものである。この磁気再生ヘッドはＧＭＲ素子１０と、下部および上部リード層２１，２３と、下部および上部ヒートシンク２５，２６とを備えたものである。下部リード層２１はＧＭＲ素子１０の底面と接するように設けられ、接合面１０Ｂを形成している。上部リード層２３はＧＭＲ素子１０の上面と接するように設けられ、接合面１０Ｕを形成している。さらに、下部ヒートシンク２５は、下部リード層２１における接合面１０Ｂとは反対側の面２１Ｓと接しており、上部ヒートシンク２６は、上部リード層２３における接合面１０Ｕとは反対側の面２３Ｓと接している。
【００３２】
ＧＭＲ素子１０は、いわゆるスピンバルブ構造をなしており、下部リード層２１の側から反強磁性ピンニング層（固定作用層）１２と、ピンド層（被固定層）１４と、非磁性スペーサ層１５と、フリー層（磁化自由層）１６と、キャップ層（保護層）１７とが順に積層されたものである。反強磁性ピンニング層１２は、例えばマンガン白金合金（ＭｎＰｔ）からなり、ピンド層１４の磁化方向を固定するように作用する。ピンド層１４は、例えばコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）により構成され、その磁化方向は外部磁界に影響されることなく、反強磁性ピンニング層１２によって一定方向に固定されている。非磁性スペーサ層１５は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、タンタル（Ｔａ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの非磁性導電材料により構成される。フリー層１６は、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの強磁性材料からなり、キャップ層１７は、タンタルなどの非磁性導電材料により構成される。
【００３３】
フリー層１６の磁化方向は、外部磁界中に置かれると、その外部磁界の方向に応じて自由に回転し、外部磁界が除去されると、最小のエネルギー状態によって規定される方向を維持する。このエネルギー状態は、結晶性や形状異方性、電流磁界（current field）、結合磁界（coupling field）および反磁界（demagnetization field）などによって決定されるものである。フリー層１６の磁化方向がピンド層１４の磁化方向と平行な場合、電子はフリー層１６とピンド層１４との間を散乱することなく通過する。よって、この状態での抵抗は比較的低くなる。一方、両者の磁化方向が互いに反平行である場合、一方の層から他方の層へ移動する電子はより多くの散乱を受けるので、抵抗が比較的高くなる。スピンバルブ構造を有するＧＭＲ素子１０の抵抗変化率は、およそ８％から２０％である。
【００３４】
この磁気再生ヘッドはＣＰＰ−ＧＭＲヘッドであり、下部および上部リード層２１，２３を介してＧＭＲ素子１０に、その積層方向に沿ってセンス電流が流れるようになっている。したがってＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、下部および上部リード層２１，２３およびＧＭＲ素子１０の抵抗が、より小さいことが望ましい。このようなＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、積層面に平行にセンス電流が流れるように設計されたＣＩＰ−ＧＭＲヘッドと比較すると、より高い記録密度の記録媒体に対応可能となっている。
【００３５】
このようなＧＭＲ素子１０と隣接配置された下部および上部リード層２１，２３は、ＧＭＲ素子１０へセンス電流Ｉを流すための電極であると同時に、ＧＭＲ素子１０と共に熱電構造（thermoelectric structure）を構成している。この熱電構造は、１８３４年に発見されたペルチェ効果（互いに接合した２つの異種材料に直流電流を加えたときに、温度勾配を生じる現象）を発現するものである。ペルチェ効果以外の熱電効果として、ゼーベック効果およびトムソン効果があるが、この２つは、いずれも単一の導体において生ずる現象である。
【００３６】
一般に、熱電効果を利用した熱電変換モジュールと呼ばれるものは、ｐ型およびｎ型の導電性を有する、例えばビスマス（Ｂｉ）−テルル（Ｔｅ）半導体対と、これらを挟む一対の薄い導電性セラミックウェハとを有している。このような熱電変換モジュールは、一対の導電性セラミックウェハの間に生ずる温度差を利用して、加熱または冷却デバイスとすることができる。温度差の生ずる理由は以下のように説明される。ｎ型半導体では電子が過剰な状態にある一方、ｐ型半導体では電子が不足した状態にある。したがって、電子が、例えばｐ型半導体からｎ型半導体へ移動する場合、低いエネルギー状態から高いエネルギー状態へ移行することとなる。このため、電子の移動に必要なエネルギーが周囲の結晶格子から抽出され、その結果、ｐ型半導体とｎ型半導体との接合面近傍（この場合は、吸熱接合部（cold junction）となる）において局所的に温度が低下する。一方、電子がｎ型半導体からｐ型半導体へ移動する場合は、高いエネルギー状態から低いエネルギー状態へ移行することとなる。このため、電子がｎ型半導体とｐ型半導体との接合面近傍（この場合は、放熱接合部（hot junction）となる）においてエネルギーを周囲の結晶格子へ放出し、その結果、局所的に温度が上昇する。
【００３７】
ペルチェ効果は、上記のような熱電変換モジュールに限らず、２つの異種金属によって構成された熱電構造であっても加熱および冷却の双方を行う場合に利用することができる。本実施の形態の磁気再生ヘッドでは、熱電冷却をおこなうため、互いに異なった熱電能（ＴＥＰ；thermoelectric power）を有する材料によって下部および上部リード層２１，２３を構成している。具体的には、下部リード層２１は、例えばニッケル銅合金（ＮｉＣｕ），ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ），ニッケル（Ｎｉ），コバルト（Ｃｏ），パラジウム（Ｐｄ），プラチナ（Ｐｔ），パラジウム銀合金（ＰｄＡｇ），プラチナロジウム合金（ＰｔＲｈ）およびニッケルマンガンアルミニウムシリコン合金（ＮｉＭｎＡｌＳｉ）のうちの少なくとも１つを含む材料により構成されている。一方、上部リード層２３は、例えばニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），金（Ａｕ），ウラニウム（Ｕ），バナジウム（Ｖ），イッテルビウム（Ｙｂ）およびセリウムパラジウム合金（ＣｅＰｄ3）のうちの少なくとも１つを含む材料により構成されている。
【００３８】
下部および上部リード層２１，２３に用いる材料として適しているかどうかについては、熱電対として使用したときに発生する起電力（ＥＭＦ）を調べることによってその傾向がわかる。そこで、各材料についてのＥＭＦを表１に示す。いずれも一方の金属材料としてをプラチナ（Ｐｔ）を用いた場合の結果である。
【００３９】
【表１】
2004349708.tif 000003
【００４０】
正の熱電能を有する金属と、負の熱電能を有する金属とを組み合わせることにより、熱電効果による効果的な加熱または冷却を行うことができる。特に効果的な冷却に適した材
料の組み合わせの例は、ＮｉＣｒ（＋）／ＮｉＣｕ（−），ＮｉＣｒ（＋）／ＮｉＦｅ（−）およびＣｕ（＋）／ＮｉＦｅ（−）である。但し、括弧内はそれぞれのＥＭＦの極性を表す。下部および上部リード層２１，２３を構成するものとして、いずれの材料を用いるかについては、ＧＭＲ素子１０の操作に用いるセンス電流（直流電流）の極性（方向）によって決まる。
【００４１】
下部および上部リード層２１，２３と接する下部および上部ヒートシンク２５，２６は、例えば熱伝導性の良い金属等により構成され、下部および上部リード層２１，２３の熱を吸収するものである。すなわち、熱電冷却をおこなうにあたり、吸熱接合部（接合面１０Ｂおよび接合面１０Ｕ）における冷却効果を長時間維持するために、放熱接合部（面２１Ｓおよび面２３Ｓ）と隣接するように設けられるものである。
【００４２】
続いて、図１に示した磁気再生ヘッド（マイクロデバイス）の製造方法について説明する。
【００４３】
本実施の形態による製造方法では、まず、図示しない基体上に、ヒートシンク２５を形成する。ヒートシンク２５は、その特殊な機能を発揮するために、構造上、特別に加えられたものであってもよいし、あるいはそれが単にマイクロデバイスが形成されることになっている既存の基板であってもよい。次に、ＮｉＣｕ，ＮｉＦｅ，ニッケル，コバルト，パラジウム，プラチナ，ＰｄＡｇ，ＰｔＲｈまたはＮｉＭｎＡｌＳｉなどの導電性材料からなる薄膜を０．１μｍ以上３μｍ以下の厚みをなすように形成したのち、これをパターニングすることにより下部リード層２１を形成する。
【００４４】
次に、下部リード層２１の上に反強磁性ピンニング層１２、ピンド層１４、非磁性スペーサ層１５、フリー層１６およびキャップ層１７をこの順に積層することによりＧＭＲ素子１０を形成する。
【００４５】
続いてキャップ層１７の上に、０．１μｍ以上０．３μｍ以下の厚みとなるようにＮｉＣｒ，モリブデン，タングステン，銅，銀，金，ウラニウム，バナジウム，イッテルビウムまたはＣｅＰｄ3などの導電性材料からなる薄膜を成膜し、これをパターニングすることにより上部リード層２３を形成する。例えば、この磁気再生ヘッドの上に、磁気記録ヘッドを設ける場合には、上部リード層２３を、その下部磁気シールド層と兼用するようにしてもよい。
【００４６】
最後に、ヒートシンク２６を、上部リード層２３を覆うように設けることにより、磁気再生ヘッドが形成される。
【００４７】
本実施の形態に磁気再生ヘッドでは、センス電流（直流電流）を、下部リード層２１と上部リード層２３との間において適切な方向に印加すると、ＧＭＲ素子１０において発生するジュール熱が下部リード層２１および上部リード層２３を介して下部ヒートシンク２５および上部ヒートシンク２６へ移動する。センス電流を流し続ける限り、このような熱の移動が継続的におこなわれるので、ＧＭＲ素子１０の過度な温度上昇を抑制することができる。したがって、従来の下部リード層と上部リード層とが同一材料からなる場合と比べて、より高いセンス電流を流すことができ、より大きな出力電圧Ｖoutを得ることができる。さらに、本実施の形態の磁気再生ヘッドによれば、ＧＭＲ素子を冷却する機能を内部に備えるようにしたので、従来のように付加的な回路や機器を用いる必要がなく、コンパクト化を達成することができる。
【実施例】
【００４８】
本発明の有効性を実証するために、３つのサンプル（実施例１〜３）を形成し、試験を行い、安全に操作することのできる最大の電流密度（Ａ／ｃｍ2）を調査した。ここでは、すべてのケースにおいて、上部リード層２３をＣｕ（＋）とし、下部リード層２１をＮｉＦｅ（−）とした。その結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2004349708.tif 000004
【００５０】
実施例１および実施例２は、互いに同一の構造をなし、ＧＭＲ素子が全て金属により構成されたサンプルである。実施例３は、フリー層の上に数ｎｍの厚みを有する酸化膜を設けることにより、センス電流に対する抵抗を高めたものである。「正方向の電流密度（＋current case）」とは、Ｃｕ（＋）からＮｉＦｅ（−）へ（上部リード層２３から下部リード層２１へ）センス電流が流れる場合の最大許容電流密度であり、「負方向の電流密度（−current case）」とは、その逆の場合を意味する。
【００５１】
実施例１，２と比べて実施例３は、酸化膜を設けたことにより正方向および負方向の電流密度がいずれも低下しているが、正方向に対する負方向の電流密度の比は向上している。
【００５２】
さらに、磁気再生ヘッドの使用温度範囲と、電流密度との関係を図３に示す。図中、「ＷＲ」は使用温度範囲を示す。また、「ＲＬ」は信頼性上限であって、２８０℃以下であれば磁気再生ヘッドの動作についての信頼性を確保可能なことを示す。さらに、「ＤＲ」は破壊限界であり、３４０℃を超えると磁気再生ヘッドとしての機能を失うこととなる。
【００５３】
曲線３１および曲線３３は、いずれも実施例１の結果に対応している。詳細には、曲線３１が、Ｃｕ（＋）からＮｉＦｅ（−）へ電流が流れる場合の「正方向」に対応する温度特性曲線である。一方、ＮｉＦｅ（−）からＣｕ（＋）へ電流が流れる「負方向」に対応する温度特性曲線が曲線３３である。この場合、ＧＭＲ素子の熱がヒートシンクによって吸収されるので、同じ温度であっても比較的高い電流密度を得られることがわかる。なお、曲線３２は、上部および下部リード層２１，２３が同一材料からなる場合に対応するものである。なお、「ＣＤ１」および「ＣＤ２」は、それぞれ、曲線３３および曲線３２の、使用温度範囲ＷＲに対応する電流密度の範囲である。このように、下部および上部リード層を構成する材料のＥＭＦ（あるいはＴＥＰ）の極性を考慮し、適切な方向へセンス電流を流すことによって、同じ使用温度であっても、対応可能な電流密度をさらに高めることができる。
【００５４】
以上の結果から明らかなように、本実施例では、安全性を確保可能な最大電流密度が５０％を超える程度に改善された。これは、磁気再生ヘッドの主要部であるＧＭＲ素子において、少なくとも１０4μＷ／μｍ2の電力レベルにおいて操作が可能であることを表すものである。すなわち、従来、発熱の問題から０．４μｍ2程度の断面積とするのが限度であったのに対し、本実施例では効率的な熱電冷却を行うことにより、実質的に０．０１μｍ2未満の断面積のＧＭＲ素子とすることができる。
【００５５】
以上、実施の形態および実施例（以下、実施の形態等という。）を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。すなわち当技術分野を熟知した当業者であれば理解できるように、上記実施の形態は本願発明の一具体例であり、本願発明は、上記の内容に限定されるものではない。製造方法、構造および寸法などの修正および変更は、本発明と一致する限り、好ましい具体例に対応して行われる。
【００５６】
本実施の形態等では、ＧＭＲ素子を備えたＣＰＰ−ＧＭＲヘッドを例に挙げて説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。特にＣＰＰ−ＧＭＲヘッドと類似したデザインを有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ；Magnetic Tunneling Junction）素子を備えた磁気再生ヘッドであってもよい。その場合、非磁性スペーサ層を、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）や酸化ケイ素（ＳｉＯ2）などからなるトンネルバリア層とすればよい。ただし、フリー層とピンド層とを分離するトンネルバリア層の厚みは、十分なトンネル電流を通過させることが可能な程度に制御する必要がある。なお、ＭＴＪ素子では、フリー層およびピンド層の磁化方向が互いに反対向きの場合、トンネリングの確率が低下することによりトンネル抵抗が増大する。一方、互いに平行な磁化方向をなす場合、多くのトンネル電流が流れることによりトンネル抵抗が低下する。ＭＴＪ素子では、このようなトンネル抵抗の変化（抵抗変化率は、一般的に約４０％）を利用することにより磁気情報の読み出しを行う。
【００５７】
また、本実施の形態では、一つのマイクロ素子（磁気抵抗効果素子）に対して一対のヒートシンクを設けるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のマイクロ素子に対して一対のヒートシンクのうちの少なくとも一方を共通に設けるようにしてもよい。すなわち、一対のヒートシンクのうちの少なくとも一方を、複数のマイクロ素子が配列された基板により構成することも可能である。また、一つのヒートシンクのみを設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気再生ヘッドの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した磁気再生ヘッドにおける電流密度と温度との関係を表す特性図である。
【図３】従来の磁気再生ヘッドの構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ＧＭＲ素子、１０Ｂ，１０Ｕ…接合面、１２…反強磁性ピンニング層、１４…ピンド層、１５…非磁性スペーサ層、１６…フリー層、１７…キャップ層、２１…下部リード層、２３…上部リード層、２５…下部ヒートシンク、２６…上部ヒートシンク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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