用于利用超导磁体设置传感器磁的方法和设备

申请号 CN200610073269.8 申请日 2006-04-06 公开(公告)号 CN100394478C 公开(公告)日 2008-06-11
申请人 日立环球储存科技荷兰有限公司; 发明人 李文扬; 李晋山;
摘要 本 发明 涉及利用 水 平设置的超导磁设备构造磁致 电阻 传感器 的方法。该超导磁设备能产生持续时段的很高 磁场 从而有效地设置具有很高钉扎场的磁致电阻传感器的磁化。该超导磁设备具有被超 导线 圈围绕的陶瓷管。该管具有水平取向的纵轴,从而提供很多重要的优点,诸如:便于该设备内含有传感器的晶片的操纵;便于将晶片装载到该设备中;防止 退火 期间该晶片内的 温度 和磁场的梯度;以及通过限制该设备的高度便于该设备的维护和存放。
权利要求

1.一种超导磁体设备,包括:
陶瓷管,其具有纵轴,该纵轴基本平地取向;
磁体,其围绕至少部分所述陶瓷管,该磁体包括由电超导材料构成的线 圈;
加热元件,其接触所述陶瓷管的表面;
浅盘,其用于保持晶片;以及
支承结构,其用于保持所述浅盘在所述管内。
2.如权利要求1所述的设备,其中该支承结构包括用于在水平平面中 转动该浅盘的致动器
3.如权利要求1所述的设备,其中该陶瓷管包括石英
4.如权利要求1所述的设备,其中该浅盘被配置来通过重保持该晶 片而没有使用夹具。
5.如权利要求1所述的设备,还包括用于在该陶瓷管内提供真空的真 空腔。
6.如权利要求1所述的设备,还包括围绕该管和线圈的磁屏蔽件。
7.一种超导磁体设备,包括:
陶瓷管,其具有纵轴,该纵轴相对于水平平面以0至30度取向,该 陶瓷管具有被密封的第一和第二端从而形成真空腔;
真空,其用于在该陶瓷管内产生真空;
磁体,其围绕至少部分所述陶瓷管,该磁体包括由电超导材料构成的线 圈;
加热元件,其卷绕该陶瓷管;
浅盘,其用于保持晶片;以及
支承结构,其用于保持所述浅盘在所述管内。
8.如权利要求7所述的设备,其中该支承结构包括用于在水平平面中 转动该浅盘的致动器。
9.如权利要求7所述的设备,其中该陶瓷管包括石英。
10.如权利要求7所述的设备,其中该浅盘被配置来通过重力保持该晶 片而没有使用夹具。
11.如权利要求7所述的设备,还包括用于在该磁体周围提供真空的真 空腔。
12.如权利要求7所述的设备,还包括围绕该管和磁体的磁屏蔽件。
13.一种制造磁致电阻传感器的方法,包括:
提供衬底;
在该衬底上形成多个磁致电阻传感器,该磁致电阻传感器每个包括被钉 扎层结构;
将该衬底和多个传感器置于磁设备中,该磁设备包括:
陶瓷管,其具有纵轴,该纵轴基本水平地取向,所述衬底和多个磁 致电阻传感器置于所述陶瓷管中;以及
线圈,其由电超导材料构成且形成在该陶瓷管周围;
加热元件,其与该陶瓷管相邻地形成;以及
在该磁设备内产生磁场从而磁化该被钉扎层结构。
14.如权利要求13所述的方法,其中该磁设备还包括用于保持该衬底 和磁致电阻传感器在该陶瓷管内的浅盘。
15.如权利要求14所述的方法,其中该浅盘通过支承结构被支承,该 支承结构是可操作的从而沿该管的所述轴横向地移动该浅盘进入该管中而 不转动该管。
16.如权利要求14所述的方法,其中该浅盘通过支承结构被支承,该 支承结构是可操作的从而沿该管的所述轴横向地移动该浅盘进入该管中,且 该支承结构还是可操作的从而绕该支承结构的垂直轴水平地转动该浅盘。
17.如权利要求13所述的方法,其中该管包括石英。
18.如权利要求13所述的方法,还包括在产生所述磁场的同时加热该 衬底和传感器。
19.如权利要求13所述的方法,其中该传感器每个包括具有截止温度 的反磁材料层,该方法还包括在产生磁场的同时加热该衬底至反铁磁材料 层的该截止温度附近的温度。
20.如权利要求13所述的方法,其中该传感器每个包括具有截止温度 的反铁磁材料层,该方法还包括在产生磁场的同时加热该衬底至反铁磁材料 层的该截止温度附近的温度1至3小时的持续时间。
21.如权利要求13所述的方法,其中该管的该纵轴相对于水平平面以 0-30度角取向。
22.如权利要求13所述的方法,还包括在产生磁场的同时将该衬底和 传感器升至大于200摄氏度的温度。
23.如权利要求13所述的方法,还包括在产生磁场的同时将该衬底和 传感器升至大于200摄氏度的温度,且保持该温度和磁场的产生大于1小时 的持续时间。
24.如权利要求13所述的方法,还包括产生磁场,将该衬底和传感器 升至大于200摄氏度的温度,且保持该温度和磁场的产生大于5小时的持续 时间。
25.一种制造磁致电阻传感器的方法,包括:
提供衬底;
在该衬底上形成多个磁致电阻传感器,该磁致电阻传感器每个包括被钉 扎层结构;
将该衬底和多个传感器置于磁设备中,该磁设备包括:
陶瓷管,其具有纵轴,该纵轴基本水平地取向,所述衬底和多个磁 致电阻传感器置于所述陶瓷管中;
线圈,其由电超导材料构成且形成在该陶瓷管周围;及
加热元件,其与该陶瓷管相邻地形成;
通过该加热元件加热该衬底和传感器至100-300摄氏度的温度;
通过该线圈产生4至6特斯拉的磁场;
维持该4-6特斯拉的磁场和100-300摄氏度的温度1-3小时的持续时间; 以及
冷却该衬底和传感器同时维持该4-6特斯拉的磁场。
26.如权利要求1或7所述的设备,其中该加热元件包括卷绕该陶瓷管 的导电线圈。
27.如权利要求1或7所述的设备,其中该线圈包括NbTi。
28.如权利要求1或7所述的设备,其中还包括制冷系统,其用于在操 作期间维持该磁体在开氏9度或更低的温度。
29.如权利要求1或7所述的设备,其中还包括制冷系统,其包括使用 液氦作为冷却剂用于冷却该磁体。

说明书全文

技术领域

发明涉及磁致电阻传感器的构造,更特别地,涉及使用超导磁体来设 置磁致电阻传感器中磁层的磁化。

背景技术

计算机的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被 与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写 头置于旋转盘上选定环形磁道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具 有气垫面(ABS)的滑上。当盘未旋转时悬臂偏置滑块接触盘的表面,但 是当盘旋转时,空气被旋转的盘旋动。当滑块骑在气垫上时,采用写和读头 来写磁印(magnetic impression)到旋转盘且从旋转盘读取磁印。读和写头 连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头包括嵌在第一、第二和第三绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层,绝缘 堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS) 处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间,极片层在背间隙 (back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通,其导致磁场 在ABS处在写间隙弥散出来,用于在移动介质上磁道中写上述磁印,例如 在上述旋转盘上环形磁道中。
在近来的读头设计中,自旋传感器,也称为巨磁致电阻(GMR)传感 器,已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文中称为间隔层 (spacer layer)的非磁导电层,其被夹在下文中称为被钉扎层和自由层的第 一和第二磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导 通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS),自 由层的磁矩位于平行于ABS但可以响应于外磁场而自由旋转。被钉扎层的 磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合来被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子平均自由程。采用 此设置,部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。当 被钉扎层和自由层的磁化相对于彼此平行时,散射最小,当被钉扎层和自由 层的磁化反平行时,散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传 感器的电阻,其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的度。在读模式中, 自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流 传导通过自旋阀传感器时,电阻变化导致电势变化,其被检测到并作为重放 信号(playback signal)处理。
自旋阀传感器位于第一和第二非磁电绝缘读间隙层之间,第一和第二读 间隙层位于铁磁性的第一和第二屏蔽层之间。在合并式(merged)磁头中, 单个铁磁层作为读头的第二屏蔽层和写头的第一极片层。在背负式 (piggyback)磁头中,第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
被钉扎层的磁化通常通过将铁磁层之一(AP1)与反铁磁材料例如PtMn 的层交换偶合来被固定。虽然反铁磁(AFM)材料例如PtMn本身没有磁化, 但是当与磁材料交换耦合时,它可以强烈地钉扎铁磁层的磁化。
对不断增大的数据速率和数据密度的需求推动了开发具有更小尺寸和 更高性能的磁致电阻传感器。然而,随着传感器变得更小,出现了钉扎场的 强度降低的挑战。传感器的钉扎场可以理解为克服被钉扎层的磁化的钉扎所 需的磁场强度。例如,如果钉扎场很小,则磁钉扎能够被容易地克服,被钉 扎层的磁化取向能容易地从其预期的取向转换到180度相位差的取向。这称 为幅角翻转(amplitude flipping)且导致灾难性的磁头故障。能导致幅角翻 转的事件包括热峰(heat spike)或机械应,例如来自头盘接触或静电放电。 因此,为了使传感器在使用中可靠和耐用,传感器必须具有被强烈钉扎的被 钉扎层(即高钉扎场)。
已经提出了增加传感器的钉扎场的机制和工艺。然而,增加被钉扎层的 钉扎场也意味着制造期间需要增加的磁场来设置被钉扎层磁化。例如,为了 设置被钉扎层的磁化,传感器被加热到AFM层的截止温度(blocking temperature)之上。截止温度是AFM层不再是反铁磁性且失去与被钉扎层 的交换耦合的温度。当传感器保持在截止温度之上的温度时,磁场应用到传 感器。该场沿垂直于气垫面(ABS)的所需方向磁化最靠近AFM层的磁被 钉扎层。此磁场的应用继续进行,同时传感器冷却至截止温度之下的温度, 此时AFM层与其最接近的铁磁层之间的交换耦合将被钉扎层钉扎在所需方 向。
用于设置被钉扎层的磁场传统上通过标准螺线管电磁体提供。这样的磁 体具有磁芯,导电金属线缠绕该芯。该芯形成第一和第二极,应用磁场期间 晶片位于所述第一和第二极之间。该形式的电磁体已适于现有技术传感器, 其中需要仅1.3特斯拉(Tesla)左右的磁场来设置被钉扎层。然而,如上所 述,需要大得多的磁场来设置未来传感器的被钉扎层。例如,将需要4特斯 拉以及更高的磁场。
因此,强烈需要用于设置具有很高的钉扎场的传感器中的被钉扎层的机 构。这样的钉扎机构将优选地包括用于产生非常高的磁场的装置,4特斯拉 左右或更高。用于产生这样的高磁场的装置还将优选地对于传感器的批量生 产是实用的,例如利用能够容易地访问且能够被容放和维持在标准建筑或净 化室中的设备。这样的用于制造晶片的设备还将允许在维持有磁场的区域内 晶片的便利操纵。

发明内容

本发明涉及用于在高温下利用具有5特斯拉磁场的超导磁体来设置传感 器AFM的方法和设备。现有设计沿垂直方向来定向超导磁体/退火真空腔。 垂直设计的问题在于晶片必须“直立”而不是躺平。“直立”经历更多的温 度梯度。另外,垂直设计使得退火工艺期间晶片操纵(旋转晶片)非常不可 靠。本发明能够以平超导磁体设计实施,其中退火腔水平且晶片能够躺平 地被退火,具有均匀的温度/磁场以及可靠的旋转能力。为了从传统方式旋转 磁体且水平而不是垂直地处理晶片,需要进行很多修改
巨磁致电阻(GMR)和隧穿磁致电阻(TMR)头的制造中使用的用于 被钉扎层结构例如反平行(AP)被钉扎结构的磁化的设置的常规电磁体依赖 于由最高饱和磁化材料例如Fe或CoFe合金制成的大尺寸的大的平坦的极头 (pole cap)。这些电磁体产生的电磁体极头之间的气隙或工作空间中的磁场 受到这些合金的饱和磁化的限制,所述饱和磁化对于Fe是21.5KG或2.15T, 对于Co50Fe50合金是约23KG或2.3T。需要约5T的更高的场来设置新的薄 Ru AP被钉扎结构。尽管大于2T的高磁场能够利用基于Bitter磁体设计的 常规螺线管电磁体获得,但是这样的磁体的尺寸和体积、所产生的磁场的不 均匀性、所保持的磁场的短持续时间、高电流生成装置的巨大成本、以及消 散欧姆导体产生的热的冷却水需求使得这样的设计在生产环境中不实用。基 于超导磁体的设计克服了这些限制:尺寸限制,因为超导磁体由于超导体的 较高电流承载能力而小且相对紧凑;场均匀性限制,因为超导磁体能够以大 直径制造;磁场持续时间限制,因为只要它们的温度维持在或低于临界超导 温度,超导磁体就能够传导电流;高电流生成装置的巨大成本,因为不同于 Bitter磁体,超导磁体不要求兆瓦(Megawatt)功率生成装置;以及冷却水 需求,因为超导磁体由于它们可忽略的电阻而不产生欧姆热。产生大的磁场 而没有常规螺线管电磁体的伴随成本和限制的能力使得超导磁体对于设置 直径5″或更大的高级GMR和TMR头晶片中的薄Ru和薄Ru合金AP被钉 扎结构的磁化是理想的。此外,超导磁体提供的在大区域上维持高的、均匀 的磁场的能力对于设置薄RuAP被钉扎结构中的磁化所要求的在200摄氏度 或更高温度下2小时或更长的长时间磁退火是绝对要求。
附图说明
为了充分理解本发明的本质和优点、以及优选使用模式,结合附图参考 下面的详细说明,附图不是按比例的,附图中:
图1是盘驱动器系统的示意图;
图2是其上形成多个磁头的晶片的透视图;
图3是具有形成在其上的多个磁致电阻传感器的晶片的剖视图;
图4是可形成在图3的晶片上的传感器的示例的ABS视图;
图5-6是超导磁体设备的示意图,其中晶片上的传感器能够被退火从而 设置被钉扎层的磁化;
图7是根据本发明的供选实施例的超导磁设备的示意图,在其中传感器 可被退火;
图8是用于退火磁致电阻传感器的设备的外部视图;以及
图9是示出构造传感器的方法的流程图

具体实施方式

下面的说明是关于当前预期的用于实施本发明的优选实施例。为了说明 本发明的一般原理而做出此说明,且其不意图限制这里要求保护的发明性概 念。
现在参照图1,示出实现本发明的盘驱动器100。如图1所示,至少一 个可旋转的磁盘112被支承在心轴(spindle)114上,且被盘驱动达118 所旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上的同心数据磁道的环状图案(未示 出)的形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近,每个滑块113支持一个或更多磁 头组件121。当磁盘旋转时,滑块113在盘表面122之上径向进出移动,从 而磁头组件121可以存取磁盘的写有所需数据的不同的磁道。每个滑块113 借助悬臂(suspension)115附着到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹簧 弹力,其偏置滑块113倚着盘表面122。每个致动器臂119附着到致动器装 置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括 在固定磁场中可移动的线圈,线圈移动的方向和速度通过控制器129提供的 马达电流信号来控制。
盘存储系统运行期间,磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产 生对滑块施加向上的力或举力的气垫。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂 115的轻微的弹簧弹力,且支持滑块113离开盘表面并且以小的基本恒定的 距离稍微位于盘表面之上。
盘存储系统的各种部件在运行中由控制单元129产生的控制信号来控 制,例如存取控制信号和内部时钟信号。通常,控制单元129包括逻辑控制 电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统 操作,例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制 信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile),从而优化 地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据磁道。写和读信号借助于记录 通道125传达到写头和从读头传出。
现在参照图2,磁头组件121(图1)制造在晶片202上,数千个这样的 头制造在单个晶片202上。图3示出晶片的放大的横截面,数个磁头121形 成在其上。晶片包括衬底204,其可以是化物(AlTiC)或一些其它材 料。每个头121包括磁致电阻传感器206和感应式写元件208。为清楚起见, 图3所示的横截面在气垫面(ABS)将要位于的位置取得,从而每个写元件 的仅第一和第二极尖(pole tip)210、212能够被看到。读和写元件206、208 嵌入在非磁电绝缘材料214例如化铝中。
现在参照图4,可以更详细地观察读传感器206的结构。图4示出当从 完成的头的气垫面(ABS)观察时(即使用期间从将面对磁介质122(图1) 的表面观察)将呈现的传感器视图。传感器206包括夹在第一和第二非磁电 绝缘的间隙层404、406之间的传感器堆叠402。这里描述的传感器为了说明 的目的而被描述为面内电流(current in plane)传感器。然而,如果以电流垂 直平面(CPP)传感器实现该传感器,间隙层404、406将用导电引线层代替。
传感器堆叠402包括自由层408、被钉扎层结构410以及夹在自由层408 和被钉扎层410之间的非磁导电间隔层412。自由层可以由磁材料例如CoFe、 NiFe或这些的组合构成。间隔层412可以由例如Cu构成。尽管这里描述为 GMR传感器,但如果传感器是隧道阀,层412将是薄的、非磁的、电绝缘 势垒层(barrier layer)。盖层(capping layer)414例如Ta可设置在传感器堆 叠402的顶部从而防止制造期间对传感器层的损害。
自由层408具有偏置在平行于ABS的期望方向上的磁化416。自由层的 偏置可以通过形成在传感器堆叠402两侧的第一和第二硬偏置层418、420 来提供。偏置层418、420可以由例如CoPt或CoPtCr构成。第一和第二导 电引线层422、424可设置在每个偏置层的顶部。引线422、424可以由例如 Cu、Au、Rh或一些其它导电材料构成。
继续参照图4,被钉扎层结构410包括第一和第二磁层AP1426和AP2 428,其通过反平行耦合层430彼此分隔开,反平行耦合层430可以由例如 Ru构成。第一和第二磁层可以由诸如CoFe的材料构成。AP1和AP2层强 烈反平行耦合,从而它们具有彼此反平行取向的磁化432、434。反铁磁材料 层(AFM层)436与AP1层交换耦合,这强烈钉扎AP1层426的磁化432。 AFM层436可以由例如PtMn、IrMn或一些类似材料构成。
设置AP1和AP2层426、428的磁化432、434可以通过退火工艺完成。 该退火工艺可以包括将传感器206升高至接近AFM层436的截止温度的温 度。截止温度是AFM层436与AP1层426之间的交换耦合失去的温度。例 如,PtMn的截止温度是大约350摄氏度。当退火具有PtMn AFM层的传感 器时,晶片被升至大于200摄氏度的温度,例如215至315摄氏度或者约265 摄氏度。IrMn具有稍微低的截止温度。因此,当退火具有IrMn AFM层的传 感器时,晶片也被升至大于200摄氏度的温度,例如190至290摄氏度或者 约240摄氏度。当传感器保持在此温度时,磁场施加到传感器从而沿垂直于 ABS的所需方向定向AP1和AP2层426、428的磁化432、434。维持该磁 场的同时,传感器冷却至远低于其截止温度的温度,或者至约室温(约20 摄氏度)。在设置被钉扎层410的一种方法中,用于定向磁化的磁场足够强 从而其克服AP1和AP2层426、428之间的反平行耦合。这导致磁化432、 434指向相同方向,同时传感器保持在AFM层436的截止温度之上。当传 感器被冷却且磁场被去除时,由于层432、434之间的反平行耦合,磁化434 转动180度,同时AP1层426的磁化432保持沿施加磁场期间其被定向的方 向取向。AFM与AP1层426之间的强交换耦合保持磁化432沿此方向被强 烈钉扎。
可以理解,需要设备来为如上所述地退火被钉扎层提供磁场。现有技术 的传感器在基于Bitter磁体设计的螺线管磁体提供的磁场中退火。这样的磁 体包括形成第一和第二极的铁磁芯以及卷绕该芯的导电线圈。其上制造有传 感器的晶片放置在磁体的所述极之间,其中从一极延伸到另一极的磁场设置 被钉扎层的磁化。
如上面在发明背景中所述,传感器性能需求要求日益增大的钉扎场。与 以前所要求的磁场相比,这些增大的钉扎场要求更高的磁场用于设置被钉扎 层。诸如所描述的常规螺线管磁体能产生1至3特斯拉左右或约1.3特斯拉 的磁场。当前和未来的传感器要求5特斯拉左右的场从而有效地设置被钉扎 层的磁化。尽管可以利用基于Bitter磁体设计的常规螺线管电磁体获得大于 2T的高磁场,但是这样的磁体的尺寸和体积、所产生的场的不均匀性、所 保持的场的短持续时间、高电流生成装置的巨大成本、以及消散欧姆导体产 生的热的冷却水的需求使得这样的设计在生产环境中不实用。为了如上所述 地设置AP被钉扎结构,晶片必须在约200摄氏度或更高的温度下在磁场内 保持2小时或更长。
已经开发了能够产生退火当前和未来传感器所需的高磁场的超导磁设 备。如上面在发明内容中所述,基于超导磁体的设计克服了常规螺线管电磁 体的很多限制。例如,可以克服尺寸限制,因为超导磁体由于超导体的较高 电流承载能力从而小且相对紧凑。超导磁体克服了场均匀性限制,因为超导 磁体能够以大直径制造。克服了场持续时间限制,因为只要它们的温度维持 在或低于临界超导温度,超导磁体就能够传导电流。此外,高电流生成装置 的巨大成本不再是问题,因为不同于Bitter磁体,超导磁体不要求兆瓦 (Megawatt)功率生成装置。另外,实质上消除了冷却水要求,因为超导磁 体由于它们的可忽略的电阻而不产生欧姆热。产生大的磁场而没有常规螺线 管电磁体的伴随成本和限制的能力使得超导磁体对于设置直径5″或更大的 高级GMR和TMR头晶片中的薄Ru和薄Ru合金AP被钉扎结构的磁化是 理想的。此外,超导磁体提供的在大区域上维持高的、均匀的磁场的能力对 于设置薄Ru AP被钉扎结构中的磁化所要求的在200摄氏度或更高温度下2 小时或更长的长时间磁退火是绝对要求。
然而,现有构造的超导磁体不适于在退火磁致电阻传感器中使用。先前 开发的超导磁体包括垂直取向的陶瓷管,超导线圈围绕该陶瓷管。缠绕该陶 瓷管的加热元件用于在退火期间加热晶片至所需温度。为了使晶片暴露于磁 场,晶片必须保持在陶瓷管内。对于当前可得的设备,这意味着晶片必须通 过管的底部或顶部装载到该管中,使得晶片的装载非常困难。
另外,管的垂直取向使得晶片在管内的操纵极其困难。管内的磁场沿管 的长度取向,当管垂直取向时,这意味着晶片必须保持为竖着从而正确地在 磁场内定向传感器。这样的取向要求晶片保持在某种复杂的夹持装置上,该 夹持装置能够在垂直位置保持和操纵晶片。注意,晶片必须在存在5特斯拉 磁场的情况下在大于200摄氏度的温度下保持大于2小时的持续时间,用于 操纵晶片的任何复杂机构将会遇到严重的可靠性和维护问题。
另外,为了利用超导磁体维持这样的高磁场,管的内部必须被抽真空。 这使得复杂的晶片夹持和操纵装置的使用更具有挑战性,因为驱动机构必须 或者位于抽真空的腔内的苛刻环境中,或者必须穿透腔,使得抽真空更加困 难。
另外,容放和维护这样的设备提出了巨大挑战。这样的装置的陶瓷管沿 其轴具有约6英尺的长度。因为管垂直取向,所以该设备不能容放在具有仅 约12英尺的天花板(ceiling)的标准净化室中。例如,为了维护这样的垂直 取向设备且进入该设备内部以装载晶片,操作者将必须进入约14英尺高度 的设备的顶部。
图5和6示意性示出根据本发明实施例的超导退火设备500。参照图5, 最基本地,设备500包括可以是例如石英的陶瓷管502、以及形成卷绕陶瓷 管502的磁体的超导线圈504。保持在浅盘(platter)、台(table)或托盘(tray) 506上的晶片202通过该管端部的孔进入管502。
现在参照图6,其更详细地以横截面示出设备500的示意图,设备500 包括抽真空腔(evacuation chamber)508,其可以通过用盖520盖住陶瓷管 502的端部且提供(未示出)来抽真空该管而形成。磁屏蔽件510围绕磁 体504从而保护操作者免于暴露到设备500产生的高磁场。管502端部的盖 520的至少一个配置有用于插入晶片202的
导电加热线圈511围绕真空腔(vacuum chamber)508。该加热线圈能 用于将腔内晶片202的温度升至如上所述退火传感器206所必需的温度。
管502具有相关于水平平面514和垂直平面516定向的纵轴512。设备 500的纵轴512配置为基本平行于水平平面514且基本垂直于垂直平面516 取向。然而,轴512可以相对于水平平面514成例如0-30度角。类似地, 设备环境中的重力(由矢量518表示)取向在垂直于陶瓷管502的纵轴512 的垂直方向。
定向设备500使得纵轴基本平行于水平线(水平平面514)提供超过现 有技术设计的很多显著优点。例如,晶片506可以经过盖520之一中的门或 开口通过管502的端部装载。这使得晶片的装载容易得多,因为与如果管垂 直取向的情况下要求操作者爬梯子或脚手架以到达管的端部相比,管502的 端部处于站在地面上的操作者容易达到的高度。
此外,晶片能容易地保持在浅盘506上而没有使用任何复杂的夹持装置, 因为晶片202可以借助于重力518保持在浅盘506上。可以提供支承结构522 来支承浅盘506在管内。支承结构522可以包括致动器结构524和伺服装置 526从而当浅盘在管502内时定向或转动浅盘506。可选地,致动器机构可 被省略,简化设计且得到改进的维护和减少的制造成本。如果不包括致动器 524和伺服装置526,晶片的正确取向可以通过沿所需取向将晶片置于浅盘 上且然后将浅盘装载到管502内的位置来得到保证。有利地,由于晶片可以 通过重力保持在浅盘506上,所以用于在管502内支承晶片的机构可被大大 简化。
现在参照图7,在本发明的另一实施例中,与陶瓷管502分隔开的真空 腔702可提供用于排出磁线圈504周围的空气。此真空腔702可具有环形或 炸面包圈(doughnut)形状,陶瓷管502延伸通过该环形的中心的孔。此分 开的真空腔702热隔离磁线圈504,且辅助保持线圈504处于维持线圈在固 态并利用线圈的超导性质所需的很低的温度(约开氏9度)。
如上所述,为了维持磁线圈504的超导性质,线圈必须保持在很低的温 度。例如,线圈504可以由NbTi构成,其必须保持在约开氏9度的温度。 该低温可以通过这样的工艺维持,该工艺包括利用具有致冷导管线圈(未 示出)和压缩机(未示出)的冷却系统并利用诸如He的材料作为致冷剂冷 却线圈504。冷却可以通过保持线圈被抽真空而进一步改进,如参照图7所 论述的。
图8示出从外部显示的根据实施例的设备800的透视图。图8示出设备 800外晶片802的堆叠,说明易于接近设备800的端部从而将晶片装载到设 备800中。
现在参照图9,描述用于制造磁致电阻传感器的方法900。方法900始 于提供衬底的步骤902。衬底可以是由例如铝钛碳化物(AlTiC)构成的晶片, 或者可以是一些其它材料例如Si。然后,在步骤904中,多个传感器形成在 衬底(晶片)上。传感器可以包括被钉扎层结构、自由层结构和夹在自由层 与被钉扎层之间的非磁间隔或势垒层。被钉扎层结构可以包括通过诸如Ru 的耦合层彼此分隔开的第一和第二磁层AP1和AP2。磁层之一AP1可以与 一层反铁磁材料(AFM)层交换耦合。AFM层具有截止温度,其是AFM层 失去其反铁磁性质并失去与AP1层的交换耦合的温度。在步骤906中,提供 水平设置的超导磁设备。该设备包括陶瓷管,其可以由石英构成且其被卷绕 该管的超导线圈围绕。该管具有基本水平地取向的纵轴。该设备还可包括与 支承结构连接的浅盘,支承结构配置为沿与管的纵轴平行的方向横向地移动 浅盘进入该管。支承结构还可配置为绕基本垂直的轴转动浅盘(即在水平平 面内转动浅盘),或者可配置为使浅盘被固定从而其不转动。在步骤908中, 晶片(衬底和传感器)置入超导磁设备中。晶片可以通过将其放置在浅盘上 而被装载到设备中,其中晶片可以由于管的水平取向而通过重力被保持(而 不是被夹持)。
在步骤910中,晶片被加热至接近形成在衬底上的传感器的AFM层的 截止温度的温度。如果传感器中使用PtMn AFM层,则此温度可以是215-315 摄氏度或约265摄氏度。如果使用IrMn AFM层,则退火温度可以为约 190-290摄氏度或约240摄氏度。然后,在步骤912中,设备被启动从而在 设置有晶片的管内产生磁场。磁场可以为4-6特斯拉或约5特斯拉。磁场通 过传导电流经过围绕管的超导线圈而产生。由于超导线圈产生可以忽略的欧 姆热,所以可以长时间提供大电流。
仍参照图9,在步骤914中,磁场和晶片的温度都维持所需的持续时间。 此持续时间优选地大于1小时,可以是例如1-3小时或约2小时,或者可以 是5小时或更长。然后,在步骤916中,晶片被冷却到远低于截止温度,例 如到低于100摄氏度的温度或者到室温。将晶片冷却至所需温度时保持磁场, 从而确保当AFM层变为反铁磁且与被钉扎层的AP1层交换耦合时,AP1层 将沿与气垫面(ABS)将要所在的平面垂直的所需方向磁化。晶片降低到所 需温度(即低于100摄氏度,或到室温)之后,可以关掉磁设备从而终止磁 场的产生。然后晶片可以容易地通过水平设置的管的端部从设备中移除。
尽管上面已经描述了各种实施例,但是应理解,它们只是通过示例而不 是限制的方式给出。落在本发明范围内的其它实施例也会对本领域技术人员 变得显然。因此,本发明的宽度和范围不应被任何上述示例性实施例所限制, 而应仅根据权利要求及其等价物来定义。
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