(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部導電リード層と上部導電リード層との間に下面および上面がそれぞれ前記下部導電リード層および上部導電リード層と接するように設けられた多層構造、の一部を構成する特定層を冷却する方法であって、
前記下部導電リード層の、前記多層構造とは反対側にヒートシンクを設けるステップと、
前記特定層と前記上部導電リード層との間に、前記多層構造の一部としての負の熱電ポテンシャル(negative thermoelectric potential) 層を形成するステップと、
前記特定層と前記下部導電リード層との間に、前記多層構造の一部としての正の熱電ポテンシャル(positive thermoelectric potential) 層を形成するステップと
を含み、
前記負の熱電ポテンシャル層から前記正の熱電ポテンシャル層に正電荷が流れるように前記下部導電リード層と上部導電リード層との間に電圧を印加することにより前記特定層を冷却する
ことを特徴とする多層構造における特定層の冷却方法。
【請求項２】
前記負の熱電ポテンシャル層は、ＮｉＣｕ，ＮｉＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，ＰｄＡｇ，ＰｔＲｈ，ＮｉＣｏ，ＹｂＡｌ3 ，ＣｏＳｉ，ＣｏＮｉＳｉ，およびＮｉＭｎＡｌＳｉからなる群から選択された材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の多層構造における特定層の冷却方法。
【請求項３】
前記正の熱電ポテンシャル層は、ＮｉＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｕ，Ｖ，Ｙｂ，ＮｉＭｏ，ＣｅＰｄ3 からなる群から選択された材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の多層構造における特定層の冷却方法。
【請求項４】
前記多層構造は磁気再生素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の多層構造における特定層の冷却方法。
【請求項５】
前記特定層は非磁性スペーサ層である
ことを特徴とする請求項４に記載の多層構造における特定層の冷却方法。
【請求項６】
ＣＰＰ（current perpendicular to plane；面直交電流）型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、
ヒートシンクを用意し、
前記ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成し、
前記下部導電リード層の上に反強磁性層を形成し、
前記反強磁性層の上に、正の熱電ポテンシャルを有する材料からなるピンド層を形成し、
前記ピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路(metal paths) を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、前記ピンド層の上にＣＣＰ（current confined path ；電流路制限) 型のスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層の上に負の熱電ポテンシャルを有する材料からなるフリー層を形成し、
前記フリー層の上にキャップ層を形成し、
前記キャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成し、
前記上部導電リード層から前記キャップ層、前記フリー層、前記スペーサ層、前記ピンド層および前記反強磁性層を経て前記下部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記金属電流路を有する絶縁層はナノオキサイド層( ＮＯＬ;nano-oxide layer ）である
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記上部導電リード層および前記下部導電リード層を同じ材料で構成する
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項９】
ＣＰＰ型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、
ヒートシンクを用意し、
前記ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成し、
前記下部導電リード層の上に正の熱電ポテンシャルを有する材料からなる反強磁性層を形成し、
前記反強磁性層の上にピンド層を形成し、
前記ピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、前記ピンド層の上にＣＣＰ型のスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層の上にフリー層を形成し、
前記フリー層の上に負の熱電ポテンシャルを有する材料からなるキャップ層を形成し、
前記キャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成し、
前記上部導電リード層から前記キャップ層、前記フリー層、前記スペーサ層、前記ピンド層および前記反強磁性層を経て前記下部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
前記金属電流路を有する絶縁層はナノオキサイド層である
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記上部導電リード層および前記下部導電リード層を同じ材料で構成する
ことを特徴とする請求項９に記載の磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１２】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、
前記下部導電リード層の上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に設けられた、負の熱電ポテンシャルを有するピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に設けられた、正の熱電ポテンシャルを有するフリー層と、
前記フリー層の上に設けられたキャップ層と、
前記キャップ層の上に設けられた上部導電リード層と
を備え、
前記下部導電リード層から前記反強磁性層、前記ピンド層、前記スペーサ層、前記フリー層および前記キャップ層を経て前記上部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項１３】
前記上部導電リード層および前記下部導電リード層が同じ材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１４】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、
前記下部導電リード層の上に設けられた、負の熱電ポテンシャルを有する反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に設けられたピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に設けられたフリー層と、
前記フリー層の上に設けられた、正の熱電ポテンシャルを有するキャップ層と、
前記キャップ層の上に設けられた上部導電リード層と
を備え、
前記下部導電リード層から前記反強磁性層、前記ピンド層、前記スペーサ層、前記フリー層および前記キャップ層を経て前記上部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項１５】
前記上部導電リード層および前記下部導電リード層が同じ材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１６】
熱電冷却構造をもたない場合と比べて出力電圧が約１３％向上している
ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気再生ヘッド。
【請求項１７】
ＣＰＰ型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、
ヒートシンクを用意し、
前記ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成し、
前記下部導電リード層の上に反強磁性層を形成し、
前記反強磁性層の上にピンド層を形成し、
前記ピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、前記ピンド層の上にＣＣＰ型のスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層の上にフリー層を形成し、
前記フリー層の上にキャップ層を形成し、
前記キャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成し、
前記反強磁性層および前記ピンド層のうちの少なくとも一方の形成に正の熱電ポテンシャルを有する材料を用いる一方、前記フリー層および前記キャップ層のうちの少なくとも一方の形成に負の熱電ポテンシャルを有する材料を用い、
前記上部導電リード層から前記キャップ層、前記フリー層、前記スペーサ層、前記ピンド層および前記反強磁性層を経て前記下部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１８】
ＣＰＰ型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、
ヒートシンクを用意し、
前記ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成し、
前記下部導電リード層の上に反強磁性層を形成し、
前記反強磁性層の上にピンド層を形成し、
前記ピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、前記ピンド層の上にＣＣＰ型のスペーサ層を形成し、
前記スペーサ層の上にフリー層を形成し、
前記フリー層の上にキャップ層を形成し、
前記キャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成し、
前記反強磁性層および前記ピンド層のうちの少なくとも一方の形成に負の熱電ポテンシャルを有する材料を用いる一方、前記フリー層および前記キャップ層のうちの少なくとも一方の形成に正の熱電ポテンシャルを有する材料を用い、
前記下部導電リード層から前記反強磁性層、前記ピンド層、前記スペーサ層、フリー層および前記キャップ層を経て前記上部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッドの製造方法。
【請求項１９】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、
前記下部導電リード層の上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に設けられたピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に設けられたフリー層と、
前記フリー層の上に設けられたキャップ層と、
前記キャップ層の上に設けられた上部導電リード層と
を備え、
前記反強磁性層および前記ピンド層のうちの少なくとも一方が正の熱電ポテンシャルを有する一方、前記フリー層および前記キャップ層のうちの少なくとも一方が負の熱電ポテンシャルを有し、
前記上部導電リード層から前記キャップ層、前記フリー層、前記スペーサ層、前記ピンド層および前記反強磁性層を経て前記下部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項２０】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、
前記下部導電リード層の上に設けられた反強磁性層と、
前記反強磁性層の上に設けられたピンド層と、
前記ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、
前記スペーサ層の上に設けられたフリー層と、
前記フリー層の上に設けられたキャップ層と、
前記キャップ層の上に設けられた上部導電リード層と
を備え、
前記反強磁性層および前記ピンド層のうちの少なくとも一方が負の熱電ポテンシャルを有する一方、前記フリー層および前記キャップ層のうちの少なくとも一方が正の熱電ポテンシャルを有し、
前記下部導電リード層から前記反強磁性層、前記ピンド層、前記スペーサ層、フリー層および前記キャップ層を経て前記上部導電リード層へ正電荷が流れるようにした
ことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く、極めて局所的な冷却を行うことでより高い電圧での動作や信頼性の向上が可能となる素子アレイの分野に係わり、特に、積層構造中の特定層の局所冷却を可能とする特定層の冷却方法、そのような局所冷却法が適用される磁気再生ヘッド、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピンバルブ磁気変換素子として、ＣＣＰ（current confined path ；電流路制限）−ＣＰＰ（current perpendicular to plane；面直交電流）型のＧＭＲ（giant magneto-resistance）が知られている。このＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲは、１８０Ｇｂ／ｉｎ2 を越える高い磁気記録密度を実現する技術の候補となり得るものと目されている。記録密度を増加させるには、再生ヘッドの寸法の縮小が要求される。例えば、記録密度が１８０Ｇｂ／ｉｎ2 の場合には、０．１μｍ×０．１μｍという寸法が要求される。ＣＰＰ型ヘッドは、ヘッドが記録媒体の磁界を検知する際に大きな出力電圧Ｖout が得られるという条件の下でのみ実用になると考えられている。ここで、センサ磁界印加時における、ある一定電圧下での抵抗変化率をＤＲ／Ｒとし、センサに印加される電圧をＶ（ＢＨＶ;buffer head voltage）とすると、Ｖout ＝ＤＲ／Ｒ×Ｖとなる。
【０００３】
従来、Ｖout を増加させるためのほとんどすべての試みは、膜自体のＤＲ／Ｒを増加させるものであった。印加電圧Ｖはもはや限界値に達しており、それ以上にすると素子の動作温度が許容範囲を越えることにつながると考えられていたからである。特に、そのような温度上昇は、制限された電流路（current confined path ）において生じやすため（後述の図２参照) 、後述するスペーサ層を構成するＮＯＬ（nano-oxide layer）の内部破壊を招きかねない。抵抗変化率ＤＲ／Ｒは温度と共に減少するので、このことは、重大な信頼性上の問題のみならず、出力電圧Ｖout の低下をも意味する。本発明は、素子の動作温度が許容範囲を越えることなしに出力電圧Ｖout を高めることを目的としている。
【０００４】
図２は、従来のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ再生ヘッドの要部を表すものである。このヘッドは、下部導電リード層１１ａと、下部導電リード層１１ａの上に順次積層された、反強磁性層１２（ピンニング層）、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からなるスピンバルブ構造体ＳＶ１０と、スピンバルブ構造体ＳＶ１０の上に積層された上部導電リード層１１ｂとを備えている。
【０００５】
フリー層１６は、外部磁界に曝されると、その磁化方向が自由に回転し、その外部磁界に沿った方向を向く。外部磁界を取り去ると、フリー層１６の磁化方向はある方向に留まる。その方向は、結晶および形状異方性、電流磁界、結合磁界ならびに消磁界（減磁界）によって決まる最小エネルギー状態の方向である。ピンド層１４の磁化方向がフリー層１６の磁化方向と平行なときには、フリー層１６からピンド層１４へ、またはその反対側方向へ移動する電子はほとんど散乱を受けない。したがって、この状態での抵抗値は小さい。ところが、ピンド層１４の磁化方向がフリー層１６の磁化方向と反平行のときには、一方の層から他の層に移動する電子は、より大きな散乱を受けるので、抵抗値が大きくなる。このようなスピンバルブの抵抗変化率は、通常、５〜１５％程度である。
【０００６】
上記においては、暗に、非磁性スペーサ層１５が単一の材料からなる均一層であるものとして説明したが、実際にＣＣＰを設計する場合には、非磁性スペーサ層１５は、一対の導電層１５ａ，１５ｂによって極めて薄い絶縁層１５ｃを挟んで構成された３層構造が用いられる。この絶縁層１５ｃの内部には、複数の金属電流路（metal paths ，図２参照）１５ｄが意図的に設けられている。このため、非磁性スペーサ層１５を流れる電流は、一対の導電層１５ａ，１５ｂ同士が複数の金属電流路１５ｄを介して互いにコンタクトし合っている複数の領域にのみ制限される。
【０００７】
図２に示したように、電流は下部導電リード層１１ａから流入して上部導電リード層１１ｂから出て行く。必要であれば、その逆も同様である。下部導電リード層１１ａおよび上部導電リード層１１ｂは、一般に、同じ材料で構成するのが好ましく、導電性の高さから通常は銅または金が選択される。Liu らによる米国特許出願公開２００４／０２３３５８４は、本願と同じ譲受人に譲渡された出願であるが、この出願には、可能であるならば上部リードおよび下部リードを熱電パワーの異なる材料で構成すると有利であり、これにより、ＧＭＲ積層構造を効果的に冷却できる、という記載がある。
【０００８】
以上の点に関連して先行技術を調査したところ、以下の特許文献１〜５が見つかった。      
【０００９】
特許文献１は、Sin らによるもので、同じ材料からなる上部リードおよび下部リードが開示されている。特許文献２において、Ghosalは、熱電冷却部に熱的に結合された冷板を開示している。特許文献３は本出願人によるものであるが、この出願で、Zhang らは、やはり熱電冷却リードを用いることを提案している。特許文献４はLedermanらによるものであり、特許文献５はDykes らによるものであるが、これらは共に、ＣＰＰモードの再生ヘッドを開示している。
【００１０】
【特許文献１】米国特許６，３５３，３１８
【特許文献２】米国特許６，５９７，５４４
【特許文献３】米国特許出願公開２００５／００５２７８９
【特許文献４】米国特許５，６２７，７０４
【特許文献５】米国特許５，６６８，６８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、均質金属材質の非磁性スペーサ層をもつＧＭＲ素子（すなわち、非ＣＣＰ型のＣＰＰ素子）では、通常、ＲＡ（resistance area product ；抵抗と面積の積）が通常０．０５〜０．１［Ω・μｍ2 ］の範囲であるのに対し、ＣＣＰ型のＣＰＰ素子では、ＲＡを０．２〜０．５［Ω・μｍ2 ］の範囲に調整することが可能である。その結果、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子のＤＲ／Ｒは、非ＣＣＰ素子によって実現し得るＤＲ／Ｒに比べて十分高いレベルに改善される。
【００１２】
しかしながら、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子では、制限された電流路（confined path ）における電流密度が平均電流密度よりもかなり高くなることから、動作中に非磁性スペーサ層が高温になるというマイナス面がある。ＤＲ／Ｒは温度上昇に伴って低下することが知られていることから、動作中に非磁性スペーサ層を冷却することは、素子の最良の性能を引き出す上で極めて重要になってくる。
【００１３】
この点に関し、上記の特許文献１〜５には、有効な提案が記載されていない。
【００１４】
本発明は係る課題に鑑みてなされたもので、その目的は、熱電冷却構造を組み込むことで電流キャリー能力（current carrying capability ）を高めたＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子を備えた磁気再生ヘッドを提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、電流増加により出力電圧振幅を増大させることが可能なＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子を備えた磁気再生ヘッドを提供することにある。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、付加的な部品を何ら追加することなく熱電冷却を実現することができる、多層構造における特定層の冷却方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、直近隣接素子に影響を与えることなく単一マイクロ素子のみの熱電冷却を可能にする、多層構造における特定層の冷却方法を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、上記のような冷却システムを有する磁気再生ヘッドを製造するための製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、熱電冷却構造を組み込むことにより、信頼性のロスを伴うことなく出力電圧振幅を増大させることが可能なＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子を備えた磁気再生ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の目的は、ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子における非磁性スペーサ層の上下方向両側に互いに異なる熱電ポテンシャル（thermoelectric potential）を有する材料を配することで達成される。より具体的には、それらの材料は、熱電パワー（ＴＥＰｓ；thermoelectric power）が互いに十分異なるものとなるように選択される。その結果、直流電流（ＤＣ）が素子を流れたときに、熱接合部(hot junction)と冷接合部(cold junction) とが形成される。熱接合部からの熱は、ヒートシンクとして作用する基板により除去される。この結果、最終的に局所冷却が行われ、高いパワーでの動作が可能となる。これは、ＧＭＲ素子にとって、出力電圧の増大、ひいては素子感度の向上、信頼性の向上、および使い勝手の良さにつながる。より具体的には、以下に述べる各手段により、上記目的が達成可能である。
【００２１】
本発明にかかる多層構造における特定層の冷却方法は、下部導電リード層と上部導電リード層との間に下面および上面がそれぞれ下部導電リード層および上部導電リード層と接するように設けられた多層構造、の一部を構成する特定層を冷却する方法であって、下部導電リード層の、多層構造とは反対側にヒートシンクを設けるステップと、特定層と上部導電リード層との間に、多層構造の一部としての負の熱電ポテンシャル(negative thermoelectric potential) 層を形成するステップと、特定層と下部導電リード層との間に、多層構造の一部としての正の熱電ポテンシャル(positive thermoelectric potential) 層を形成するステップとを含み、負の熱電ポテンシャル層から正の熱電ポテンシャル層に正電荷が流れるように下部導電リード層と上部導電リード層との間に電圧を印加することにより特定層が冷却されるようにしたものである。この冷却方法では、熱起電力の大小に関して逆方向に（すなわち、熱起電力が負の側から正の側へ）センス電流を流すようにしているため、特定層の一方の界面側が冷却され、他方の界面側が発熱する。この熱は、シートシンクを介して外部に放熱される。つまり、特定層の局所冷却が可能となる。なお、上記の構成とは逆に、特定層の上方に正の熱電ポテンシャル層を配すると共に特定層とヒートシンクとの間に負の熱電ポテンシャル層を配し、負の熱電ポテンシャル層から正の熱電ポテンシャル層に電流を流すようにしてもよい。
【００２２】
ここで、負の熱電ポテンシャル層は、ＮｉＣｕ，ＮｉＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｐｄ，Ｐｔ，ＰｄＡｇ，ＰｔＲｈ，ＮｉＣｏ，ＹｂＡｌ3 ，ＣｏＳｉ，ＣｏＮｉＳｉ，およびＮｉＭｎＡｌＳｉからなる群から選択された材料で構成可能であり、正の熱電ポテンシャル層は、ＮｉＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｕ，Ｖ，Ｙｂ，ＮｉＭｏ，ＣｅＰｄ3 からなる群から選択された材料で構成可能である。上記の多層構造は磁気再生素子であってもよい。この場合、特定層が非磁性スペーサ層であるようにするのが好ましい。
【００２３】
本発明における第１の磁気再生ヘッドの製造方法は、ＣＰＰ型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成するステップと、この下部導電リード層の上に反強磁性層を形成するステップと、この反強磁性層の上に正の熱電ポテンシャルを有する材料からなるピンド層を形成するステップと、このピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路(metal paths) を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、ピンド層の上にＣＣＰ型のスペーサ層を形成するステップと、このスペーサ層の上に負の熱電ポテンシャルを有する材料からなるフリー層を形成するステップと、このフリー層の上にキャップ層を形成するステップと、このキャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成するステップとを含み、上部導電リード層からキャップ層、フリー層、スペーサ層、ピンド層および反強磁性層を経て下部導電リード層へ正電荷が流れるようにしたものである。この製造方法では、ヒートシンクとスペーサ層との間に正の熱電ポテンシャルのピンド層が配され、スペーサ層とキャップ層との間に負の熱電ポテンシャルのフリー層が配される。ＣＣＰ−ＣＰＰ型素子の場合には、非ＣＣＰ型とは異なり、ジュール熱のほとんどは、電流路制限構造を有することから局所的な電流密度が極めて高くなるＣＣＰ型スペーサ層で発生する。したがって、発生熱を、ＧＭＲ積層体の全体からではなくスペーサ層から直接取り除くことが極めて大切である。そこで、センス電流の方向を上記のように適切に設定して熱電冷却効果を発現させるようにしたことにより、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【００２４】
第１の磁気再生ヘッドの製造方法において、上部導電リード層および下部導電リード層は、同じ材料で構成するのが好ましい。なお、第１の磁気再生ヘッドの製造方法とは逆に、フリー層を正の熱電ポテンシャル材料で構成すると共に、ピンド層を負の熱電ポテンシャル材料で構成するようにしてもよい。
【００２５】
本発明における第２の磁気再生ヘッドの製造方法は、ＣＰＰ型の磁気再生ヘッドを製造する方法であって、ヒートシンクの上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより下部導電リード層を形成するステップと、この下部導電リード層の上に正の熱電ポテンシャルを有する材料からなる反強磁性層を形成するステップと、反強磁性層の上にピンド層を形成するステップと、このピンド層の上に第１の非磁性導電層を形成したのち、この第１の非磁性導電層の上に金属電流路を有する絶縁層を形成し、さらにその上に第２の非磁性導電層を形成することにより、ピンド層の上にＣＣＰ型のスペーサ層を形成するステップと、このスペーサ層の上にフリー層を形成するステップと、このフリー層の上に負の熱電ポテンシャルを有する材料からなるキャップ層を形成するステップと、このキャップ層の上に導電材料層を形成したのち、この導電材料層をパターニングすることにより上部導電リード層を形成するステップとを含み、上部導電リード層からキャップ層、フリー層、スペーサ層、ピンド層および反強磁性層を経て下部導電リード層へ正電荷が流れるようにしたものである。この製造方法では、ヒートシンクとスペーサ層との間に正の熱電ポテンシャルの反強磁性層が配され、フリー層の上側（外側）に負の熱電ポテンシャルのキャップ層が配される。ここで、センス電流の方向を上記のように適切に設定して熱電冷却効果を発現させるようにしたことにより、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【００２６】
第２の磁気再生ヘッドの製造方法において、金属電流路を有する絶縁層はナノオキサイド層で構成可能である。ここで、上部導電リード層および下部導電リード層は、同じ材料で構成するのが好ましい。なお、第２の磁気再生ヘッドの製造方法とは逆に、キャップ層を正の熱電ポテンシャル材料で構成すると共に、反強磁性層を負の熱電ポテンシャル材料で構成するようにしてもよい。
【００２７】
本発明の第１の磁気再生ヘッドは、ヒートシンクと、ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、下部導電リード層の上に設けられた反強磁性層と、反強磁性層の上に設けられた、負の熱電ポテンシャルを有するピンド層と、ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、スペーサ層の上に設けられた、正の熱電ポテンシャルを有するフリー層と、フリー層の上に設けられたキャップ層と、キャップ層の上に設けられた上部導電リード層とを備え、下部導電リード層から反強磁性層、ピンド層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層を経て上部導電リード層へ正電荷が流れるようにしたものである。この磁気再生ヘッドでは、ヒートシンクとスペーサ層との間に負の熱電ポテンシャルのピンド層が配され、スペーサ層とキャップ層との間に正の熱電ポテンシャルのフリー層が配される。ここで、センス電流の方向を上記のように適切に設定して熱電冷却効果を発現させるようにしたことにより、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【００２８】
第１の磁気再生ヘッドでは、上部導電リード層および下部導電リード層は、同じ材料で構成するのが好ましい。なお、第１の磁気再生ヘッドの構成とは逆に、ピンド層を正の熱電ポテンシャル材料で構成すると共に、フリー層を負の熱電ポテンシャル材料で構成するようにしてもよい。
【００２９】
本発明の第２の磁気再生ヘッドは、ヒートシンクと、ヒートシンクの上に設けられた下部導電リード層と、下部導電リード層の上に設けられた、負の熱電ポテンシャルを有する反強磁性層と、反強磁性層の上に設けられたピンド層と、ピンド層の上に設けられたＣＣＰ−ＣＰＰ型のスペーサ層と、スペーサ層の上に設けられたフリー層と、フリー層の上に設けられた、正の熱電ポテンシャルを有するキャップ層と、キャップ層の上に設けられた上部導電リード層とを備え、下部導電リード層から反強磁性層、ピンド層、スペーサ層、フリー層およびキャップ層を経て上部導電リード層へ正電荷が流れるようにしたものである。この磁気再生ヘッドでは、ヒートシンクとスペーサ層との間に負の熱電ポテンシャルの反強磁性層が配され、フリー層の上側（外側）に正の熱電ポテンシャルのキャップ層が配される。ここで、センス電流の方向を上記のように適切に設定して熱電冷却効果を発現させるようにしたことにより、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【００３０】
第２の磁気再生ヘッドでは、上部導電リード層および下部導電リード層は、同じ材料で構成するのが好ましい。この場合、熱電冷却構造をもたない場合と比べて出力電圧を約１３％向上させることも可能である。なお、第２の磁気再生ヘッドの構成とは逆に、反強磁性層を正の熱電ポテンシャル材料で構成すると共に、キャップ層を負の熱電ポテンシャル材料で構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の多層構造における特定層の冷却方法によれば、下部導電リード層と上部導電リード層との間に下面および上面がそれぞれ下部導電リード層および上部導電リード層と接するように設けられた多層構造、の一部を構成する特定層と上部導電リード層との間に負の熱電ポテンシャル層を配すると共に特定層と下部導電リード層との間に正の熱電ポテンシャル層を配し、負の熱電ポテンシャル層から正の熱電ポテンシャル層に電流を流すようにしたので、特定層の局所冷却が可能である。
【００３２】
また、本発明の磁気再生ヘッドおよびその製造方法によれば、ヒートシンクとスペーサ層との間のピンド層および反強磁性層のうちの少なくとも一方を正の熱電ポテンシャル材料で構成し、スペーサ層の上側のフリー層およびキャップ層のうちの少なくとも一方を負の熱電ポテンシャル材料で構成し、上部導電リード層から下部導電リード層へ正電荷が流れるように設定して熱電冷却効果を発現させるように構成したので、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【００３３】
また、本発明の他の磁気再生ヘッドおよびその製造方法によれば、ヒートシンクとスペーサ層との間のピンド層および反強磁性層のうちの少なくとも一方を負の熱電ポテンシャル材料で構成し、スペーサ層の上側のフリー層およびキャップ層のうちの少なくとも一方を正の熱電ポテンシャル材料で構成し、下部導電リード層から上部導電リード層へ正電荷が流れるように設定して熱電冷却効果を発現させるように構成したので、スペーサ層の局所冷却が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明の一実施の形態に係る磁気再生ヘッドにおけるＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の断面構造を表すものである。なお、ここでは、代表的手段としてＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ構造を用いることを選択したが、本発明の適用範囲はより広いものであり、直流電流によって全体的または部分的に動作するものであって構造中の特定層に対する極局所的冷却が要求されるものであれば、いかなる積層構造にも適用可能である。
【００３６】
図１に示したように、このＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子は、ヒートシンク２１と、このヒートシンク２１の上に積層された下部導電リード層Ｓ１と、下部導電リード層Ｓ１の上に積層されたスピンバルブ構造体ＳＶ２０と、このスピンバルブ構造体ＳＶ２０の上に積層された上部導電リード層Ｓ２とを備える。スピンバルブ構造体ＳＶ２０は、反強磁性層２２、強磁性材料からなるピンド層２４、非磁性スペーサ層２５、軟磁性の強磁性材料からなるフリー層２６およびキャップ層２７を順に積層してなる多層構造を有し、ヒートシンク２１と熱的に結合している。反強磁性層２２はシード層（図示せず）を含み、キャップ層２７は、上部導電リード層Ｓ２の直下に設けられた金属ギャップ層（図示せず）を含のが好ましい。
【００３７】
反強磁性層２２およびピンド層２４の少なくとも一方は、正の熱電ポテンシャル（熱起電力）を有する材料で構成される。すなわち、反強磁性層２２のみを正の熱電ポテンシャル材料で構成してもよいし、ピンド層２４のみを正の熱電ポテンシャル材料で構成してもよいし、あるいはそれらの両方を正の熱電ポテンシャル材料で構成してもよい。ここで、ピンド層２４を正の熱電ポテンシャルを有する材料で構成する場合には、例えば、鉄( Ｆｅ) リッチなコバルト鉄( ＣｏＦｅ) を含む材料を用いることができる。なお、ピンド層１４は、シンセティックＡＦＭ（合成反強磁性層）として作用する３層構造を有するようにしてもよい。
【００３８】
非磁性スペーサ層２５は、一対の導電層２５ａ，２５ｂ（第１および第２の非磁性導電層）によって極めて薄い絶縁層２５ｃを挟んでなるＣＣＰ（current confined path ）構造を有する。導電層２５ａ，２５ｂは、例えば銅などで構成される。絶縁層２５ｃは、例えばＮＯＬ（nano-oxiside layer；ナノオキサイド層）として構成され、その膜厚はおおよそ０．５ｎｍ〜１．５ｎｍである。この絶縁層２５ｃには、それ自身の内部に複数の金属電流路（metal paths ）２５ｄが意図的に設けられている。このため、非磁性スペーサ層２５を積層方向( 積層面に垂直な方向) に流れる電流は、一対の導電層２５ａ，２５ｂ同士が複数の金属電流路２５ｄを介して互いにコンタクトし合っている複数の領域にのみ制限されるようになっている。
【００３９】
フリー層２６またはキャップ層２７の少なくとも一方は、負の熱電ポテンシャル（熱起電力）を有する材料で構成される。すなわち、フリー層２６のみを負の熱電ポテンシャル材料で構成してもよいし、キャップ層２７のみを負の熱電ポテンシャル材料で構成してもよいし、あるいはそれらの両方を負の熱電ポテンシャル材料で構成してもよい。ここで、フリー層２６を負の熱電ポテンシャル材料で構成する場合には、例えば、コバルト( Ｃｏ) リッチなコバルト鉄( ＣｏＦｅ) を含む材料を用いることができる。キャップ層２７を負の熱電ポテンシャル材料で構成する場合には、例えばルテニウム( Ｒｕ) またはニッケル銅（ＮｉＣｕ）を用いることができる。
【００４０】
次に、このような構成のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の作用を説明する。
【００４１】
本実施の形態では、電流は上部導電リード層Ｓ２から流入して、スピンバルブ構造体を面垂直方向に貫流し、下部導電リード層Ｓ１から出て行く。スピンバルブ構造体のフリー層２６は、外部磁界に曝されると、その磁化方向が自由に回転し、その外部磁界に沿った方向を向く。外部磁界を取り去ると、フリー層２６の磁化方向はある方向に留まる。その方向は、結晶および形状異方性、電流磁界、結合磁界ならびに消磁界（減磁界）によって決まる最小エネルギー状態の方向である。ピンド層２４の磁化方向がフリー層２６の磁化方向と平行なときには、フリー層２６とピンド層２４との間を通る電子はほとんど散乱を受けない。したがって、この状態での抵抗値は小さい。ところが、ピンド層２４の磁化方向がフリー層２６の磁化方向と反平行のときには、一方の層から他の層に移動する電子は、より大きな散乱を受けるので、抵抗値が大きくなる。このようなスピンバルブの抵抗変化率ＤＲ／Ｒは、通常、５〜１５％程度である。そして、上記した式（Ｖout ＝ＤＲ／Ｒ×Ｖ）に応じた出力電圧Ｖout が検出され、その値に基づいて外部磁界( 磁界信号) が検出される。
【００４２】
ところで、上記したように、先の出願において我々は、ＣＰＰ素子において特定の電流方向に実質的な（net ）熱電ポテンシャルが創成されるように下部導電リードと上部導電リードの材料を選択すると共に、ジュール発熱で生じた熱をより効果的に除去してシートシンクに十分に伝達させる方法を開示した。ＣＣＰ−ＣＰＰ型素子の場合、ジュール熱のほとんどは、局所的な電流密度が極めて高い非磁性スペーサ層で発生する。したがって、熱を、ＧＭＲ積層体の全体からではなく非磁性スペーサ層から直接取り除くことが極めて大切である。さらに、往々にして、下部導電リードと上部導電リードの両方に同じ材料を用いることが好ましい。この場合、先の出願には適用できない。
【００４３】
熱電現象は、１８２６年にゼーベック（Seebeck ）効果が発見され、さらにその後ペルチェ（Peltier ）効果やトムソン（Thomson ）効果が発見されてからというもの、広く知られている。そして、熱起電力（thermoelectric emf）材料や熱電素子を求めて多くの研究がなされてきた。
【００４４】
表１は、いくつかの金属についての熱起電力（熱電ポテンシャル）を表すものである。ここでは、基準接合金属として０°Ｃに保たれた白金を用い、各金属の温度をそれぞれ１００°Ｃおよび２４０°Ｃとしたときの熱起電力を示している。
【００４５】
【表１】
0004447582.tif 000002
【００４６】
本実施の形態の基本コンセプトは、ＣＣＰ−ＣＰＰ積層体において、非磁性スペーサ層の一方側には（正味の）正の熱起電力（＋ＴＥＰ）の材料を配し、他方側には（正味の）負の熱起電力（−ＴＥＰ）の材料を配するように材料選定を行う点にある。そのように構成されたＣＣＰ−ＣＰＰ素子では、電流が積層体の「−ＴＥＰ」側から非磁性スペーサ層を通って「＋ＴＥＰ」側へと流れる際に、熱電冷却効果が発現する。
【００４７】
「＋ＴＥＰ」の材料として用いることができるものとしては、銅（Ｃｕ），クロメル（Chromel ；Ｎｉ90Ｃｒ10；クロメルは商標名），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ルテニウム（Ｒｕ），鉄（Ｆｅ），モリブデン（Ｍｏ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），白金ロジウム（Ｐｔ90Ｒｈ10）またはそれらの１つ以上を含む合金等があげられる。
【００４８】
一方、「−ＴＥＰ」の材料として用いることができるものとしては、Ｎｉ，コンスタンタン（Constantan；Ｎｉ43Ｃｕ57；コンスタンタンは商品名），ニッケル鉄（ＮｉＦｅ），コバルト（Ｃｏ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），アルメル（Alumel；ＮｉＡｌＭｎＳｉ；アルメルは商品名）またはそれらの１つ以上を含む合金等があげられる。正味の熱起電力が存在する限り、しかるべき電流方向に熱電冷却が発現する。
【００４９】
本実施の形態では、下部導電リード層Ｓ１および上部導電リード層Ｓ２として、同じ材料（通常は、「−ＴＥＰ」材料）を用いる。そして、電流が正の方向に（Ｓ２からＳ１へ）流れるようにする。すなわち、キャップ層２７およびフリー層２６から非磁性スペーサ層２５を通ってピンド層２４、反強磁性層２２およびシード層（図示せず）へと流れる電流を利用した熱電冷却（thermoelectric cooling；ＴＥＣ）効果を発現させるようにしている。このことは、キャップ層２７からフリー層２６および非磁性スペーサ層２５における上側の導電層２５ｂに至る層には、正味「−ＴＥＰ」材料を選定し、非磁性スペーサ層２５における下側の導電層２５ａからピンド層２４、反強磁性層２２およびシード層（図示せず）に至る層には、正味「＋ＴＥＰ」材料を用いるように材料を選定することを意味する。実験の結果、正方向の電流（Ｓ２からＳ１へ）の方が負方向の電流（Ｓ１からＳ２へ）よりも大きい冷却効果を示すことが確認された。
【００５０】
２つのサンプル１，２についての実験結果を表２に示す。この表２は、動作電圧ＢＨＶ（Buffer Head Voltage ）が１２０ｍＶの場合における、正方向電流の場合の温度と負方向電流の場合の温度との差、正方向電流の場合の冷却効果、および冷却による出力電圧の振幅ゲインを表している。ΔＴ＠ＢＨＶ（＋１２０ｍＶ）は、正方向電流の場合の温度を示し、ΔＴ＠ＢＨＶ（−１２０ｍＶ）は、負方向電流の場合の温度を示す。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
抵抗変化率ＤＲ／Ｒの温度係数は、−０．１９［％／℃］であり、正方向電流による振幅ゲインは、熱電冷却効果が存在しない場合に比べて、−１３％であった。長期にわたる信頼性の向上も認められた。
【００５３】
一般に、複数のＣＣＰ−ＣＰＰ素子を製作した場合、各素子の積層状態にばらつきが生ずる場合が多い。そこで、個々の素子について電流応力テストおよび温度上昇テストが実施した。その結果、素子の様々な積層状態について、熱電アシスト冷却の効果が認められた。積層材料とデザインを適宜選定することによって、動作ＢＨＶが１２０ｍＶの場合において、正方向電流（Ｓ２からＳ１）の場合の温度と負方向電流（Ｓ１からＳ２）の場合の温度との間の１４０°Ｃに達する温度差が達成された。このようにして、正方向電流を素子に流すことにより、上記の動作ＢＨＶにおいて、熱電アシスト冷却を行わなかった場合と比べて７０°Ｃも素子を冷却することができる。
【００５４】
次に、図１のような構成のＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法を説明する。なお、本発明の実施の形態に係る特定層の冷却方法は、ＣＣＰ−ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の製造方法によって具現化されるので、以下併せて説明する。
【００５５】
まず、ヒートシンク２１（通常は基板）を用意し、その上に、ＮｉＦｅ等の導電材料層を形成したのち、これをパターニングして下部導電リード層Ｓ１を形成する。下部導電リード層Ｓ１は、例えば０．１〜３．０μｍ程度の膜厚にするのが好ましい。
【００５６】
次に、下部導電リード層Ｓ１の上に反強磁性層２２を形成したのち、その上に、正の熱電ポテンシャル（熱起電力）を有する材料からなるピンド層２４を形成する。次に、ピンド層２４の上に、ＣＣＰ構造を有する非磁性スペーサ層２５を形成する。この非磁性スペーサ層２５は、上記したように、一対の導電層２５ａ，２５ｂによって極めて薄い絶縁層２５ｃを挟んで構成した３層構造である。この絶縁層２５ｃは、それ自身の内部に複数の金属電流路２５ｄが存在するように形成する。
【００５７】
次に、非磁性スペーサ層２５の上に、フリー層２６を形成したのち、その上に、キャップ層２７を形成する。フリー層２６またはキャップ層２７の少なくとも一方は、負の熱電ポテンシャル（熱起電力）を有する材料で構成する。
【００５８】
次に、キャップ層２７の上に第２の導電材料層を形成したのち、これをパターニングして上部導電リード層Ｓ２を形成する。これで一連のプロセスを終了する。
【００５９】
以上のように、本実施の形態によれば、キャップ層２７からフリー層２６および非磁性スペーサ層２５における上側の導電層２５ｂに至る層には負の熱電ポテンシャル材料を用いる一方、非磁性スペーサ層２５における下側の導電層２５ａからピンド層２４、反強磁性層２２およびシード層（図示せず）に至る層には、正の熱電ポテンシャル材料を用い、上部導電リード層Ｓ２から、キャップ層２７、フリー層２６および非磁性スペーサ層２５を通ってピンド層２４、反強磁性層２２および下部導電リード層Ｓ１へと電流を流すようにしたので、熱電冷却（thermoelectric cooling；ＴＥＣ）効果を発現させることができる。このため、電流による発熱の大部分を担う非磁性スペーサ層２５が局所的に冷却され、極めて効果的な冷却が可能となる。このため、印加電圧を高く設定することができる。
【００６０】
以上、好適な実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、フリー層２６またはキャップ層２７を負の熱電ポテンシャル材料で形成すると共に、ピンド層２４または反強磁性層２２を正の熱電ポテンシャル材料で形成し、電流を負の熱電ポテンシャル側から正の熱電ポテンシャル側へ（Ｓ２からＳ１へ）に流すようにしたが（パターンＡ）、それとは逆に、フリー層２６またはキャップ層２７を正の熱電ポテンシャル材料で形成すると共に、ピンド層２４または反強磁性層２２を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、電流を負の熱電ポテンシャル側から正の熱電ポテンシャル側へ（Ｓ１からＳ２へ）に流すようにしてもよい（パターンＢ）。
【００６１】
なお、上記のパターンＡの場合には、以下のようないくつかの組み合わせが可能である。
（１）フリー層２６を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（２）キャップ層２７を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、反強磁性層２２を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（３）フリー層２６を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、反強磁性層２２を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（４）キャップ層２７を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（５）フリー層２６およびキャップ層２７の両方を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（６）フリー層２６およびキャップ層２７の両方を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、反強磁性層２２を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（７）フリー層２６を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４および反強磁性層２２の両方を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（８）キャップ層２７を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４および反強磁性層２２の両方を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
（９）フリー層２６およびキャップ層２７の両方を負の熱電ポテンシャル材料で形成し、ピンド層２４および反強磁性層２２の両方を正の熱電ポテンシャル材料で形成する。
【００６２】
但し、これらの組み合わせの中では、特に（１），（２）が好ましい。非磁性スペーサ層２５を中心として対称性がよいからである。
【００６３】
また、上記のパターンＢの場合も同様であり、上記（１）〜（９）において「正」と「負」とを入れ換えた組み合わせが可能である。この場合も、特に好ましい組み合わせは、上記と同様の理由から、（１），（２）に相当するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のＣＣＰ／ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の構成を表す断面図である。
【図２】従来のＣＣＰ／ＣＰＰ型ＧＭＲ素子の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
２１…ヒートシンク、２２…反強磁性層、２４…ピンド層、２５…非磁性スペーサ層、２６…フリー層、２７…キャップ層、Ｓ１…下部導電リード層、Ｓ２…上部導電リード層、ＳＶ２０…スピンバルブ構造体。
【図１】
0004447582.tif 000004
【図２】
0004447582.tif 000005