本发明涉及用于固定铁磁体之磁化方向的交换耦联薄膜(exchange coupling film)，装有该薄膜的磁阻效应装置，该装置可在低磁场情况 下产生大的磁阻变化，还涉及装有该装置的磁变阻头，该磁变阻头适 合用于高密度磁记录和复制中，本发明还涉及制造此等交换耦联薄膜 的方法。

近些年来，硬盘驱动的密度已急剧增加，同时复制磁头也有巨大 的改进。其中，人们都在积极地研究利用巨大的磁阻效应的磁阻效应 装置(以下简称为“MR装置”)，该磁阻效应装置也称为“旋转阀”， 并希望该装置具有明显改进目前使用的磁阻效应头(以下简称为“MR 头”)的灵敏度的潜力。

旋转阀包括两个铁磁层和一个位于所述铁磁层之间的非磁性层。 铁磁层之一(以下还称为“固定层(pinned layer)”)的磁化方向是被 锁定层(pinning layer)的交换偏磁磁场固定(上述铁磁层和锁定层总 称为“交换耦联薄膜”)。另一个铁磁层(以下也称为“自由层”)的 磁化方向可相应于外部磁场相对自由地变化。因此，固定层和自由层 的磁化方向之间的角度是可以变化的，以改变MR装置的电阻。

已提出一种旋转阀薄膜，其是使用Ni-Fe作为铁磁层，Cu作为 非磁性层，而Fe-Mn作为锁定层。该旋转阀薄膜可产生约2％的磁阻 变化率(以下简称为“MR率”)(Journal of Magnetism and Magnetic Materials，93，第101页(1991))。如果使用Fe-Mn作为锁定层，所 得的MR率较小，而且阻断温度(在此温度下锁定层没有固定固定层 之磁化方向的作用)不够高。另外，Fe-Mn薄膜本身具有较差的耐腐 蚀性。由此出发，还提出其它的旋转阀薄膜，它们是使用除Fe-Mn以外的材料作为锁定层。

其中，使用如NiO或α-Fe2O3等氧化物作为锁定层的旋转阀薄膜 有望实现约15％或更大的MR率。

但是，NiO的阻断温度不够高。因此，使用NiO的MR装置的热 稳定性不能够令人满意。

另一方面，如果旋转阀薄膜使用α-Fe2O3的锁定层，固定层的反 向磁场在锁定层较薄时不够大。具体而言，具有双旋转阀结构的旋转 阀薄膜或者其中α-Fe2O3层形成在固定层上的旋转阀薄膜具有以下的 强趋势：在叠加的α-Fe2O3层中得到的固定层的反向磁场不足。而且， 出于与使用NiO的旋转阀薄膜相同的原因，使用α-Fe2O3的旋转阀薄 膜的热稳定性也不能令人满意。另外，使用α-Fe2O3的旋转阀薄膜还 具有在磁场中沉积或者在磁场中低温热处理期间需要控制各向异性的 缺陷。

                        发明简述

根据本发明的一方面，交换耦联薄膜包括铁磁层和锁定层，所述 锁定层与铁磁层相接触以锁定铁磁层的磁化方向，该锁定层包括 (AB)2Ox层，其中O代表氧原子；2.8＜x＜3.2；而如下定义的t值满足 0.8＜t＜0.97： $t=(\mathrm{Ra}+\mathrm{Ro})/(\sqrt{2}·(\mathrm{Rb}+\mathrm{Ro}))$ (其中，Ra、Rb和Ro分别代表A、B和O原子的离子半径)。

在本发明的一个实施方案中，(AB)2Ox包括抗铁磁层。

在本发明的另一个实施方案中，(AB)2Ox层的B原子包括过渡金属 原子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的B原子包括Fe原子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括稀土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括碱土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，锁定层包括(AB)2Ox层和NiO层 的多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层与铁磁层相接触。

在本发明的再一个实施方案中，锁定层包括(AB)2Ox层和Fe-M-O(其中M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V)的多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，Fe-M-O层包括(Fe1-xMx)2O3层 (其中M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V，且0.01≤x≤0.4)。

根据本发明的另一方面，磁阻效应装置包括基底和多层薄膜。所 述多层薄膜包括至少两个铁磁层、一个非磁性层和一个用于锁定铁磁 层之磁化方向的锁定层。铁磁层是通过位于其中的非磁性层而沉积的。 至少一个铁磁层是其磁化方向被锁定层固定的固定层，该锁定层与所 述铁磁层相接触，而另一个铁磁层位于所述非磁性层的相反侧上。至 少一个铁磁层是自由层，其磁化方向可自由旋转。固定层和自由层的 磁化方向之间的角度变化可使装置的电阻发生变化。锁定层包括 (AB)2Ox层，其中O代表氧原子；2.8＜x＜3.2；而如下定义的t值满足 0.8＜t＜0.9 $t=(\mathrm{Ra}+\mathrm{Ro})/(\sqrt{2}·(\mathrm{Rb}+\mathrm{Ro}))$ (其中，Ra、Rb和Ro分别代表A、B和O原子的离子半径)。

在本发明的又一实施方案中，锁定层包括(AB)2Ox层和NiO层的 多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，锁定层包括(AB)2Ox层和Fe-M-O(其中M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V)的多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的B原子包括过渡金属 原子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括稀土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括碱土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的AB包括La1-yFey(0.4 ＜y＜0.6)。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括A′原子 或者A″原子，而(AB)2Ox层的B原子包括B′原子或者B″原子。 A′原子包括稀土原子；A″原子包括碱土原子；B′原子包括Fe原子； 而B″原子包括Ni或Mn原子。

在本发明的再一个实施方案中，A′原子包括La原子；A″原子 包括Sr原子；B′原子包括Fe原子；而B″原子包括Ni原子。

在本发明的再一个实施方案中，自由层包括两个或更多的通过位 于其中的非磁性层沉积的磁性薄膜。

在本发明的再一个实施方案中，固定层包括两个通过位于其中的 非磁性层沉积的磁性层，该磁性层之间具有抗铁磁性交换耦联。

在本发明的再一个实施方案中，所述多层包括按以下顺序沉积在 基底上的层：第一锁定层、第一固定层、第一非磁性层、铁磁性自由 层、第二非磁性层、第二固定层、和第二锁定层。第一锁定层固定第 一固定层的磁化方向。第二锁定层固定第二固定层的磁化方向。第一 锁定层包括(AB)2Ox层。

在本发明的再一个实施方案中，第二锁定层包括T-Mn(其中， T＝Ir、Pt、Pd、Rh或Ni)。

在本发明的再一个实施方案中，第二锁定层包括(AB)2Ox层。

在本发明的再一个实施方案中，第一锁定层或第一和第二锁定层 包括(AB)2Ox层和NiO层的多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，第一锁定层或第一和第二锁定层 包括(AB)2Ox层和Fe-M-O层(其中，M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V)的多层结构。

在本发明的再一个实施方案中，Fe-M-O层包括(Fe1-xMx)2O3层 (其中，M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V，且0.01≤x≤0.4)。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的B原子包括Fe原子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括稀土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括碱土原 子。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的AB包括La1-yFey(0.4 ＜y＜0.6)。

在本发明的再一个实施方案中，(AB)2Ox层的A原子包括A′原子 或者A″原子，而(AB)2Ox层的B原子包括B′原子或者B″原子。 A′原子包括稀土原子；A″原子包括碱土原子；B′原子包括Fe原子； 而B″原子包括Ni或Mn原子。

在本发明的再一个实施方案中，A′原子包括La原子；A″原子 包括Sr原子；B′原子包括Fe原子；而B″原子包括Ni原子。

在本发明的再一个实施方案中，自由层包括两个或更多的通过位 于其中的非磁性层沉积的磁性薄膜。

在本发明的再一个实施方案中，固定层包括两个通过位于其中的 非磁性层沉积的磁性层，该磁性层之间具有抗铁磁性交换耦联。

根据本发明的再一方面，磁阻效应头包括：本发明的磁阻效应装 置；以及用于使磁阻效应装置和屏蔽区相互绝缘的屏蔽间隙区。

根据本发明的又一个方面，磁阻效应头包括：本发明的磁阻效应 装置；以及用于在磁阻效应装置中引入待检测磁场的轭区。

根据本发明的再一个方面，制造交换耦联薄膜的方法包括以下步 骤：将基底加热至约300℃或更高的温度；然后使用约2 mTorr或更低 压力的Ar气体通过溅射法沉积交换耦联薄膜。

为解决现有技术中的问题，本发明的交换耦联薄膜是通过沉积铁 磁层和用于固定该铁磁层之磁化方向的(AB)2Ox层而形成的。在此，O代表氧原子；2.8＜x＜3.2；而如下定义的t值满足0.8＜t＜0.97： $t=(\mathrm{Ra}+\mathrm{Ro})/(\sqrt{2}·(\mathrm{Rb}+\mathrm{Ro}))$ (其中，Ra、Rb和Ro分别代表A、B和O原子的离子半径)。

(AB)2Ox式表明A和B元素的总量与O元素的组成比为2∶x(即， (A1-yBy)2Ox)。虽然应包括A元素和B元素，但A元素和B元素之间的 比为任选的(优选为0.4＜y＜0.6)。具体而言，如果A元素和B元素 的比为1∶1，所得的组成为A1B1Ox，以下将其示为“ABOx”。其中， ABO3的代表性例子是具有被称为“perovskite结构”的晶体结构。

在使用约2 mTorr或更低压力的Ar气体通过溅射法将交换耦联薄 膜沉积于已加热至约300℃或更高温度的基底上时，交换耦联薄膜具有 更大的交换耦联以及优选用作MR装置的特性。在沉积步骤期间，优 选在薄膜面中施加磁场，以固定易磁化轴。

虽然基本上用上述(AB)2Ox层作为待与铁磁层耦联的薄膜，但其结 构还可包括：

(1)(AB)2Ox层，其中B是Fe；

(2)(AB)2Ox层，其中A是稀土原子；

(3)(AB)2Ox层，其中A是碱土原子；

(4)(AB)2Ox层和NiO层的多层结构；

(5)(AB)2Ox层和Fe-M-O层(其中，M＝Al、Ti、Co、Mn、 Cr、Ni或V)的多层结构；以及

(6)(5)的结构，其中Fe-M-O层是(Fe1-xMx)-O层(其中， M＝Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V，且0.01≤x≤0.4)。

在本发明的MR装置中，通过位于其中的非磁性层沉积的铁磁层 中至少一个铁磁层的磁化方向被锁定层固定，该锁定层与所述铁磁层 (该铁磁层称为固定层)相接触，而另一个铁磁层位于所述非磁性层 的相反侧上。另一方面，至少一个铁磁层的磁化方向是可以自由旋转 的(该铁磁层称为自由层)。固定层和自由层的磁化方向之间的角度变 化可使装置的电阻发生变化。用于固定固定层之磁化方向的锁定层可 用上述(AB)2Ox材料形成。虽然基本上使用上述(AB)2Ox层作为锁定层， 但是其理想结构还可包括上述的结构(1)-(6)。

(AB)2Ox层特别优选的例子是La1-yFeyOx层(其中0.4＜y＜0.6，且 2.8＜x＜3.2)，其中A是La，而B是Fe。

而且，(AB)2Ox层可以是A为A′A″，B为B′B″，其中A′ 是稀土元素如Y或La，A″是碱土元素如Ca、Sr或Ba，B′是Fe， 而B″是Ni或Mn。如果组成为(A′A″)1-y(B′B″)yOx，y优选为0.4 ＜y＜0.6。

特别优选的例子是其中A′是La，A″是Sr，B′是Fe，而B″ 是Ni。

本发明之MR装置的示例性结构包括按以下顺序沉积在基底上的 层：作为第一锁定层的(AB)2Ox层、铁磁性材料的第一固定层、第一非 磁性层、铁磁性材料的自由层、第二非磁性层、铁磁性材料的第二固 定层以及第二锁定层。虽然基本上使用上述(AB)2Ox层作为第一锁定 层，但是其理想结构还可包括上述的结构(1)-(6)。对于第二锁定 层，可使用(AB)2Ox层或者上述结构(1)-(6)中的任何一种。另外， 可使用T-Mn金属抗铁磁性薄膜(其中T＝Ir、Pt、Pd、Rh或Ni)。

再者，本发明包括以下两种类型的MR头：一种MR头是在本发 明的MR装置上设置屏蔽区；以及一种MR头是设置软磁性材料的轭， 用于在MR装置中引入待检测磁场。

因此，本发明具有以下优点：(1)交换耦联薄膜具有良好的热稳 定性和大的MR率；(2)提供装有该交换耦联薄膜的MR装置；(3) 提供装有该MR装置的MR头；以及(4)提供制备该MR装置的方法。

在参考附图阅读和理解以下的详细描述后，对于本领域技术人员 来说，本发明的以上和其它优点将变得显而易见。

图1是说明本发明之交换耦联薄膜的截面示意图；

图2A是说明本发明之MR装置的截面示意图；

图2B是说明图2A之MR装置另一个实施方案的截面示意图；

图3A是说明另一个本发明之MR装置的截面示意图；

图3B是说明图3A之MR装置另一个实施方案的截面示意图；

图4是说明本发明之MR头的截面示意图；

图5是说明本发明之MR头的立体图；

图6是说明本发明之MR头与磁盘在一起的截面图；

图7A是说明与记录头一体的本发明MR头的截面图；

图7B是说明另一个本发明之MR头的截面图；

图8是说明本发明之轭型MR头的截面图；

图9是说明制造本发明之MR头步骤的流程图；和

图10是说明制造本发明之交换耦联薄膜步骤的流程图。

现参考附图详细描述本发明的MR装置和MR头。

图1显示了本发明之交换耦联薄膜的结构。参考图1，按顺序在 基底1上沉积(AB)2Ox层2和铁磁层3。本发明的特征是使用(AB)2Ox层作为在铁磁层上施加交换偏磁磁场的锁定层。本发明所希望的结构 是上述的结构(1)-(6)。

接下来，将详细描述使用此等交换耦联薄膜的MR装置。

图2A是说明本发明之MR装置结构的截面图。参考图2A，按顺 序在基底1上沉积(AB)2Ox层2、固定层3、非磁性层4和自由层5。 铁磁层之固定层3的磁化方向被(AB)2Ox层2的交换偏磁磁场固定。自 由层5为另一个铁磁层，通过非磁性层4在磁性上与固定层分开，使 得其磁化方向可相应于外部磁场相对自由地变化。由此，固定层和自 由层的磁化方向之间的角度是可以变化的，以改变MR装置的电阻。 如果MR装置被用作MR传感器，可检测MR装置相应于外部磁场的 电阻变化作为电信号。

本发明的特征是使用(AB)2Ox氧化物层，该氧化物层作为锁定层具 有高的阻抗，并能够在高温下控制磁性层的磁化方向。

如在上述现有技术部分中所述，使用NiO或者α-Fe2O3的旋转阀 薄膜具有大的磁阻率(MR率)。但是，在NiO或者α-Fe2O3旋转阀 中，用于固定固定层的磁场不足。在使用α-Fe2O3锁定双结构中的上 固定层时，该趋势在α-Fe2O3层中更大。NiO的缺陷是在约200℃或 更高的温度时它失去锁定磁性层的能力。

为解决这些问题，本发明使用(AB)2Ox氧化物层作为锁定层。在 (AB)2Ox中，O代表氧原子；2.8＜x＜3.2；而如下定义的t值满足0.8＜t ＜0.97： $t=(\mathrm{Ra}+\mathrm{Ro})/(\sqrt{2}·(\mathrm{Rb}+\mathrm{Ro}))$

(其中，Ra、Rb和Ro分别代表A、B和O原子的离子半径)。

如果不满足这些条件，则不能提供足够的固定磁性层之磁化方向 的作用。在(AB)2Ox中，“A”代表具有大离子半径的元素，例如，稀土 元素如La、Pr、Nd、Sm或Y，或者碱土元素如Ca或Sr。其它令人满 意的元素包括Bi。而且，A元素可包括两个元素A′和A″，其中例 如A′是稀土元素之一，而A″是碱土元素之一。优选的是，(AB)2Ox中的“B”是小离子半径的过渡金属。对于在高温下提供锁定作用的锁 定层，Fe是特别优选的。如果元素A包括两个元素，如A′和A″， 则元素B也可包括两个元素B′(如Fe)和B″(如Ni、Mn)。特别 优选的元素组合是，例如，A′＝La，A″＝Sr，B′＝Fe，而B″＝Ni。

通常情况下，如果一些Fe原子被Ni原子等取代，虽然MR率仍 保持基本相同的水平，但是锁定磁场的水平，Hp，会降低。但是，这 可通过用碱土原子(如Sr)取代一些稀土原子(如La)来解决，由此 使装置具有令人满意的作为MR装置的特性。

而且，锁定层可为(AB)2Ox氧化物膜和NiO或者Fe-M-O膜的 多层膜。如果使用NiO，优选的是磁性层的磁化方向被(AB)2Ox膜固定， 而使用NiO作为(AB)2Ox膜的底层。使用NiO作为底层，即使在(AB)2Ox膜厚度小至约30nm或更小时，仍可以提供大的锁定作用。但是，如 果使用NiO来锁定磁性层，所得的热稳定性和所得作用将不如用 (AB)2Ox膜得到的好。

在Fe-M-O膜中，元素M包括一种或两种选自以下组的元素： Al、Ti、Co、Mn、Cr、Ni或V。为提供令人满意的锁定固定层的作用， 金属(Fe+M)和氧(O)之间的原子组成比应为2/3左右。

在约1.2-1.6范围之外的O和Fe+M之间的原子组成比不是优选 的。低于约1.2的O和Fe+M之间的原子组成比产生较差的锁定作用。 而当O和Fe+M之间的原子组成比大于约1.6时，Fe-M-O层变成 弱的铁磁体，不适合用于MR头中。

如果使用Co、Ni等作为Fe-M-O膜中的M元素，旋转阀薄膜 在制造MR装置期间或者在热处理之后可提供更大的锁定磁场。

其中，在得到大MR率方面，Mn和Co是特别有效的。对于更大 的锁定磁场，Co是特别有效的。可有效地使用Al、Ti、Cr或V作为 M元素，以在约250℃或更低的温度下进行低温热处理来控制各向异 性。Fe-M-O层的希望组成是：(Fe1-xMx)-O(其中M＝Al、Ti、Co、 Mn、Cr、Ni或V，且0.01≤x≤0.4)。

如果x过小，所得作用不够。如果x过大，所得的锁定作用降低。

因为高密度记录磁头的屏蔽间隙的厚度是约200nm-100nm，如 果如图4中所示在屏蔽型磁头中使用(AB)2Ox膜或者(AB)2Ox膜与NiO或Fe-M-O膜的层状膜，(AB)2Ox膜或者层状膜的厚度d应为约50nm 或更小，更优选为约30nm或更小。

通常情况下，Ni-Co-Fe合金层适合用作旋转阀薄膜中的自由层 5。优选的是，NixCoyFez层的原子组成比可为：

0.6≤x≤0.9

0≤y≤0.4

0≤z≤0.3(由此得到富Ni的软磁性膜)；或者

0≤x≤0.4

0.2≤y≤0.95

0≤z≤0.5(由此得到富Co的膜)。 具有此等组成的膜具有MR传感器和MR头所必须的低磁致伸缩(1× 10-5)。

另外，也可使用无定形层如Co-Mn-B层、Co-Fe-B层、Co-Nb-Zr层、或者Co-Nb-B层，或者此等无定形层和Ni-Co-Fe层的层 状膜作为自由层5。但是，在此情况下，该装置的阻抗相对较高。因此， 它不适合于如图3A所示的双结构，但优选用于图2A所示类型的结构 中。

优选的是，自由层5的厚度在约1nm-10nm的范围之内。如果 自由层5过厚，MR率会由于分流效应而降低。如果自由层5过薄，则 降低了软磁性。更优选的是，自由层5的厚度在约2nm-7nm的范围 内。

固定层3的优选材料包括Co、Co-Fe合金、Ni-Fe合金、或者 Ni-Fe-Co合金。

如果使用Co或者Co-Fe合金，可得到特别大的MR率。具体而言， 如图2B所示，希望在自由层5A和非磁性层4之间的界面处使用Co层 5C，并在Co层5C上使用Ni-Fe-Co层5B。还希望的是，如图3B所 示，在自由层5A和非磁性层4之间的界面处使用Co层5C，并在自由 层55A的大致中间处使用Ni-Fe-Co层5B。

固定层3可为多层结构，其包括两个在非磁性层4的相反侧上的 磁性层，该磁性层之间具有抗铁磁性交换耦联。更具体而言，固定层3 例如可为Co/Ru/Co多层膜。在此情况下，Ru的厚度必须使两个Co膜 之间产生抗铁磁性交换耦联(此时约为0.6nm)。对于常规的MR装置， 如果MR装置非常小，其出现的问题是，在固定层3的端表面处形成的 磁极会在自由层5上施加非所希望的偏磁磁场。如果固定层3是由两 个具有抗铁磁性交换耦联的磁性层形成的，在自由层5上基本不会施 加偏磁磁场，由此解决了上述问题。

优选的是，固定层3的厚度在约1nm-10nm的范围内。如果固 定层3过薄或过厚，MR率则降低。更优选的是，固定层3的厚度在约 1nm-5nm的范围内。

虽然自由层5和固定层3之间的非磁性层4可由Cu、Ag、Au、Ru等制成，但Cu是特别优选的。非磁性层4的厚度必须至少为约0.9nm， 以降低两个铁磁层(固定层3和自由层5)之间的相互作用。如果非磁 性层4过厚，MR率则降低。因此，非磁性层4的厚度应为10nm或 更小，更优选为约3nm或更小。

也可有效地在铁磁层之一(固定层3或者自由层5)和非磁性层4 之间的界面处插入界面磁性层，以进一步增加MR装置的MR率。如 果界面磁性层过厚，MR率对磁场的灵敏度则会降低。因此，界面磁 性层的厚度优选为约2nm或更小，更优选为约1.8nm或更小。为使 界面磁性层更有效地发挥作用，其厚度应至少为约0.2nm，更优选为 约0.8nm或更大。优选的是，使用Co或者富Co的Co-Fe合金作为 界面磁性层的材料。

优选的是，基底1具有较平滑的表面，并可以是玻璃基底、MgO基底、Si基底或者Al2O3-TiC基底。Al2O3-TiC基底特别适合于制造 MR头。

另一种进一步增加MR装置之MR率的方法是如图2A所示的结 构，在自由层5上形成金属反射层。优选的是，Ag、Au等可以用作金 属反射层的材料。

如果金属反射层过厚，MR率则由于分流效应而降低。因此，金 属反射层的厚度优选为约10nm或更小，并更优选为约3nm或更小。 如果金属反射层的厚度过薄，所得效果将不足。因此，金属反射层的 厚度应至少为约0.5nm或更大，更优选为约1nm或更大。

在上述与图2A有关之实施例中，(AB)2Ox层2、固定层3、非磁 性层4和自由层5按此顺序沉积在基底1上。这些层也可按相反顺序 (自由层5/非磁性层4/固定层3/(AB)2Ox层2)直接或通过底层沉积在 基底1上。该反向结构使如图2A所示之结构产生略微降低的锁定作用， 但是仍可用作MR装置，而且对于一些特殊的装置设计是有效的。

虽然已描述了常规旋转阀薄膜，但如图3A所示，具有双旋转阀结 构的MR装置300也是有效的，特别是对进一步增加MR率。在此情 况下，(AB)2Ox层、IrMn层、NiMn层、Fe-M-O层或者Fe-M-O层和(AB)2Ox层的复合层(层状膜)可用作最上方的锁定层6。为进一 步增加MR率，(AB)2Ox层或者Fe-M-O层是特别优选的。从MR装 置电极形成或者MR头形成的角度看，可适当地使用金属抗铁磁材料 如Ni-Mn、Pd-Mn、Pt-Mn、Ir-Mn、Fe-Ir、Pd-Pt-Mn、 Cr-Pt-Mn、Ru-Rh-Mn等。其中，从耐热性来看，Ni-Mn是最优选 的材料。从MR率来看，Ir-Mn是最优选的材料。优选的是，IrzMn1-z层的原子组成比可为：0.1≤z≤0.5。

在图3A和3B所示的实施例中，(AB)2Ox层2首先沉积在基底1 上。另外，这些层也可按锁定层6至锁定层2的相反顺序沉积在基底1 上。

在上述情况下，虽然只使用(AB)2Ox层作为锁定层2，如图1、3A 和3B所示，例如，NiO膜和(AB)2Ox层也可叠层在一起形成锁定层2。 如果使用NiO/(AB)2Ox膜，从热稳定性和薄膜平整度的角度看，优选 的是首先在基底1上形成NiO膜，然后在NiO膜上形成(AB)2Ox膜， 以使层3被(AB)2Ox膜锁定。在此情况下，NiO膜的厚度可为约10nm， 但Fe-M-O膜优选比NiO膜厚。

这些层可适当地通过溅射法来形成。可用于制造本发明之MR装 置的溅射法包括DC溅射法、RF溅射法、离子束溅射法等。

可使用上述的本发明MR装置来制造MR头。图5是说明本发明 之示例性难膜偏磁型MR头30的结构的立体图。图4显示了图5的截 面图，其是沿图5中箭头A所示方向观察。图6显示了图5的截面图， 其是沿图5中虚线B指示的平面截取的。以下将主要参考图4进行描 述。

参考图4，MR装置区9位于上屏蔽间隙14和下屏蔽间隙11之间。 可使用绝缘膜如Al2O3膜、SiO2膜、AlN膜等作为屏蔽间隙11和14。 在屏蔽间隙14和11上分别进一步设置上和下屏蔽15和10。可使用如 Ni-Fe合金膜的软磁性膜作为屏蔽材料。为控制MR装置的磁畴，由 难偏磁区12施加偏磁磁场，所述难偏磁区是由如Co-Pt合金的材料 制成的。虽然在此使用难偏磁膜来施加偏磁磁场，也可类似地使用抗 铁磁膜如Fe-Mn膜。MR装置区9通过屏蔽间隙11和14与屏蔽10 和15绝缘，而且MR装置区9的阻抗变化可经由引线区12在该装置 区上施加电流来读出。

因为MR头是只读头，其通常与用于写的感应头组合使用。图6、 7A和7B显示了写头区31和读头区32。图7A显示了与图4相同的结 构，其中另外设置了写头区31。写头区31包括上芯16，该上芯通过 记录间隙膜40设置在上屏蔽15之上。

图7A显示了具有常规对接连接的MR头，而图7B显示了另一个 有效的MR头，该头具有叠加结构，其中可更精确地控制轨宽41。因 此，图7B所示结构能够更好地说明由记录密度增加导致的轨宽降低。

现在参考图6描述MR头30的记录和复制机制。参考图6，在记 录操作期间，由线圈17中传导的电流产生的磁通量在上芯16和上屏 蔽15之间的空间泄漏，由此在磁盘21上写入信息。MR头30沿图中 箭头C所示的方向相对于磁盘21移动，在此可通过反转线圈17中的 电流流动方向来反转记录磁化方向23。当记录密度增加时，记录长度 (记录节距)22变得更短，因此必须相应地降低记录间隙长度(记录 间隙节距)19。

在复制操作中，从磁盘21的记录磁化区泄漏的磁通量24作用在 位于屏蔽10和15之间的MR装置去9上，由此改变MR装置区9的 阻抗。因为电流通过引线区13被导向MR装置区9，其阻抗的包含可 被记录为其电压(输出)的变化。

图8显示了装有本发明之MR装置的轭型头80的结构。

参考图8，轭型头80包括由软磁性膜制成的轭区81，用于向MR 装置区9引导待检测的信号磁场。因为通常使用导电性金属磁性膜作 为轭区81，优选设置绝缘膜以避免轭区81和MR装置区9之间的短 路。如果MR装置区9是双结构的，如图3A所示，其中上锁定层使用 如(AB)2Ox膜或者Fe-M-O膜的氧化物绝缘膜，所显示的绝缘膜82 则是任选的。虽然图4所示之结构中的各绝缘膜14和11应是对磁头 特性没有负面影响的非磁性膜或者弱磁性膜，但图8中的绝缘膜82不 能是非磁性的。具体而言，绝缘膜82可是磁性的，以使被轭区81导 向的信号磁场连续地进入MR装置区9。因此，如果MR装置区9的 上锁定层使用(AB)2Ox膜或者Fe-M-O膜，绝缘膜82可是任选的。 这样，所示的轭型头80适合于使用双结构，其中在上部形成(AB)2Ox膜或者Fe-M-O膜。

而且，因为上述轭型头使用轭区，其输出要低于图4所示类型头 的输出。但是，因为MR装置不必如图4所示嵌在屏蔽间隙中，轭型 头在实现更窄间隙方面是有优势的。

现参考图9描述制造MR头30的方法。

首先，如图4所示，在经过适当处理的基底上形成下屏蔽10 (S801)。然后在下屏蔽10上形成下屏蔽间隙11(S802)，并在下屏 蔽间隙11上形成MR装置区层(S803)。在将MR装置区层制作成MR 装置区9(S804)后，形成难偏磁区12(S805)和引线区13(S806)。 接着，形成上屏蔽间隙14(S807)和上屏蔽15(S808)。最后，如图 7A所示，形成写头区31(S809)，由此得到MR头30。

现参考图10描述制作交换耦联薄膜的方法。如图1所示，将基底 1加热至约300℃或更高的温度(S901)。然后如图1所示，使用约2mTorr 或更低压力的Ar气体通过溅射法沉积交换耦联薄膜100(S902)。

为进一步增加硬盘驱动的记录密度，记录波长(记录节距)应缩 短，为此必须缩短图4所示之屏蔽之间的距离d。从图4可以看出，必 须降低MR装置区9的厚度。优选的是，MR装置区9的厚度应为约20 nm或更小。因为本发明中使用的氧化物膜如(AB)2Ox膜的锁定层2是 绝缘体，所以可认为锁定层2基本上是下屏蔽间隙11的一部分，而不 是MR装置区9。此等结构对于本发明是合适的。常规的α-Fe2O3膜 的厚度为约50nm或更大，因此很难将其用于双结构中。

为抑制自由层磁化方向旋转时Barkhausen噪音的产生，MR装置 区9的设置优选使自由层5(图2A和3A)易磁化轴(也称为“易轴”) 基本上垂直于待检测信号的磁场方向，而固定层3的易轴平行于该方 向。

在上述说明中，已描述了常规横向GMR头。但是，本发明可有 效地用于垂直GMR头中。横向GMR头中的电流方向垂直于待检测磁 场，而垂直GMR头中的电流方向平行于待检测磁场。

现通过说明性的实施例进一步描述本发明的交换耦联薄膜、MR 装置和MR头。

使用多溅射装置制造根据本发明之实施例1的交换耦联薄膜。使 用烧结成靶的ABO3(A＝La、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Y、Ho、 Bi、Ca、Sr；B＝Fe)和Co0.9Fe0.1的合金片。

在将真空室排空至1×10-8Torr后，向其中供入Ar气体，以将其 中的压力保持在约0.8mTorr，同时使用溅射法在玻璃基底上形成如图 1所示的交换耦联薄膜100，由此制得具有图1所示之结构的样品交换 耦联薄膜。样品薄膜的组成见如下所示，其中，其各层厚度(nm)示 于括号中。在使用ABO3时，使用RF阴极，而在使用任何其它材料时， 使用DC阴极。ABO3层的厚度为约50nm，而Co-Fe层的厚度为约10 nm。

制造如下所示的样品1-13，其中，在样品1-13中B＝Fe。

样品1：CoFe(10)

样品2：LaBO3(50)/CoFe(10)

样品3：PrBO3(50)/CoFe(10)

样品4：NdBO3(50)/CoFe(10)

样品5：SmBO3(50)/CoFe(10)

样品6：GdBO3(50)/CoFe(10)

样品7：TbBO3(50)/CoFe(10)

样品8：DyBO3(50)/CoFe(10)

样品9：YBO3(50)/CoFe(10)

样品10：HoBO3(50)/CoFe(10)

样品11：BiBO3(50)/CoFe(10)

样品12：CaBO3(50)/CoFe(10)

样品13：SrBO3(50)/CoFe(10)

将制得的交换耦联薄膜在约200℃下保持于真空中约1小时，同 时在其上施加约80kA/m(约1kOe)的磁场。然后，使用振动式样品 磁强计在室温下测量交换耦联薄膜的磁化曲线。

其结果是，样品1的CoFe薄膜显示出约600A/m的矫顽力Hc， 而样品2-13的ABO3/CoFe层状薄膜都显示出约20kA/m或更大的矫 顽力Hc，这表明ABO3和CoFe之间的交换耦联形成了具有较大矫顽 力的薄膜。

如图2A所示，使用实施例1中的多溅射装置制造样品MR装置 A(i)(见下表1)。使用Si基底作为基底1，使用实施例1中所用的 (AB)2Ox层作为锁定层2，并使用Co层作为铁磁固定层3。而且，使用 Cu层作为非磁性层4，并使用Ni0.68Fe0.20Co0.12层作为自由层5。各层的 厚度分别如下所示。

A(i)：ABO3(35)/Co(2)/Cu(2)/Ni0.68Fe0.20Co0.12(5)

(其中：i＝0-12；括号中的数字表示以纳米为单位的厚度)

如实施例1，将上述制得的样品MR装置在约200℃下进行热处理 约30分钟。

样品装置A(0)使用α-Fe2O3，而不是ABO3，作为与本发明之 样品A(1)-A(12)的对比例。

在表1中，A′(1)代表具有与样品A(1)相同的组成和薄膜厚 度的样品，但其中ABO3薄膜是沉积在约500℃的基底上。

在室温下通过DC4-终端法施加最多至约80kA/m的磁场(对于 样品A′(1)更大)，评估所得样品MR装置的MR特性。结果示于 下表1中。为进行对比，也按基本上相同的方法评估样品MR装置A (0)的MR特性。如上所述，样品装置A(0)是使用α-Fe2O3而不 是(AB)2Ox层制得的。

                     表1  样品号 锁定层 MR率 Hp(kA/m)  A(0) α-Fe2O3  13  10  A(1) LaBO3  15  45  A′(1) LaBO3  18 ＞80  A(2) PrBO3  14  40  A(3) NdBO3  14  45  A(4) SmBO3  15  50  A(5) GdBO3  14  35  A(6) TbBO3  14  35  A(7) DyBO3  14  35  A(8) YBO3  15  50  A(9) HoBO3  14  40  A(10) BiBO3  14  40  A(11) CaBO3  14  40  A(12) SrBO3  14  40

从以上的实验结果可以看出，使用ABO3薄膜的样品比使用 α-Fe2O3薄膜的样品具有更大的Hp值。

另外，进行类似的实验，并制造使用A′1-xA″xB′1-xB″xO3薄膜 代替ABO3薄膜的样品AA′(1)，其中A′＝La，A″＝Sr，B′＝Fe， 而B″＝Ni。所得薄膜的组成如下：

AA′(1)：A′1-xA″xB′1-xB″xO3(50)/Co(2)/Cu(2) /Ni0.68Fe0.20Co0.12(5)

(其中括号中的数字表示以纳米为单位的厚度)

如实施例1，将以上制得的样品MR装置在200℃下进行热处理约 30分钟。在室温下通过DC4-终端法施加最多至约80kA/m的磁场(对 于样品AA′(1)更大)，评估所得样品MR装置的MR特性。其结 果是，MR率约为16％，而Hp约为40kA/m，这又一次表明样品装置 具有令人满意的特性。

制造样品装置B(i)，同时使用具有抗铁磁性交换耦联的Co(2) /Ru(0.6)/Co(2)用于固定层，代替Co(2)。

B(i)：ABO3(35)/Co(2)/Ru(0.6)/Co(2)/Cu(2)/Ni0.68Fe0.20Co0.12(5)

对于ABO3(35)层，样品装置B(i)(i＝1-12)使用分别与A (i)(i＝1-12)相同的锁定层。按照与样品装置A(i)基本上相同 的方法评估样品装置B(i)的特性。样品装置B(i)的MR率平均比 相应的样品装置A(i)降低约2％，但是样品装置B(i)的Hp值都 为约100kA/m或更大。还观察到，在固定层的端表面处形成的磁极基 本上对自由层没有偏磁影响。

进一步制造样品装置B′(i)，其中锁定层使用与表1所列相同的 薄膜，而自由层包括多个通过非磁性层沉积的磁性层。

B′(i)：ABO3(35)/Co(2)/Cu(2)/Ni0.68Fe0.20Co0.12(2.5)/Cu(1)/Ni0.68Fe0.20Co0.12(2.5)

按照与样品装置A(i)基本上相同的方法评估样品装置B′(i) 的特性。ABO3(35)层使用分别与表1所列的A(1)-A(12)相同 的锁定层。

其结果是，本发明之样品装置B′(i)具有基本上相同的MR率 和基本上相同的Hp值，而自由层的软磁性提高。具体而言，软磁层的 矫顽力从800A/m降低至约400A/m。因此，可通过经由非磁性层叠 层的两个或更多个磁性膜形成自由层，由此改善自由层的软磁性能以 及装置的磁场灵敏度。

使用样品装置B(i∶i＝1-12)和样品装置B(0)(对比例)作 为MR装置区9，制造图4所示之MR头，并评估其特性。

在所制得的各MR头中，使用Al2O3-TiC材料作为基底，Ni0.8Fe0.2合金作为屏蔽10和15，而Al2O3作为屏蔽间隙11和14。另外，使用 Co-Pt合金作为难偏磁区12，并使用Au作为引线区13。使磁性膜具 有各向异性，这样，固定层3的易轴基本上平行于待检测信号的磁场 方向，而自由层5的易轴基本上垂直于待检测信号的磁场方向。这可 通过以下方法来实现：首先使所得的MR装置在约250℃下在一个磁 场中进行热处理，以限制固定层3的易轴方向，然后进一步在180℃下 对所得的MR装置进行热处理，以限制自由层5的易轴方向。

评估各所得MR头的输出，同时由这些MR头中通过DC电流作 为定向电流，然后在其上施加约3kA/m的交变信号磁场。使用本发明 之MR装置B(i)的MR头的输出与使用对比MR装置B(0)的MR 头的输出进行比较。所得结果见下表2。

            表2 样品号 锁定层 相对输出(dB)  B(0) α-Fe2O3  0  B(1) LaBO3 +2  B(2) PrBO3 +1  B(3) NdBO3 +1  B(4) SmBO3 +2  B(5) GdBO3 +1  B(6) TbBO3 +1  B(7) DyBO3 +1  B(8) YBO3 +2  B(9) HoBO3 +1  B(10) BiBO3 +1  B(11) CaBO3 +1  B(12) SrBO3 +1

因此，已证实本发明的MR头与常规的MR头相比可产生更大的 输出。施加约20kA/m的外部磁场，然后测量特性，使用对比MR装 置B(0)的MR头的输出变得不稳定，而使用本发明之MR装置B(1) -B(12)中任何一个的MR头的输出非常稳定。  

按照基本上与实施例2相同的方式制造包括自由层和锁定层的复 合型旋转阀薄膜C(i)。NiO层和ABO3层的复合型层用于相应的锁定 层，而CoFe和NiFe的复合型层用于自由层。在各样品薄膜的端部设 置的Cu层是抗氧化膜。

C(i)：NiO(10)/ABO3(2o)/Co0.85Fe0.15(2)/Cu(2.2)/Co0.85Fe0.15(1)/Ni0.8Fe0.2(5)/Cu(1)

如实施例1，在约200℃下对上述样品薄膜进行热处理约30分钟。 按照基本上与实施例2相同的方式评估所得样品薄膜的MR特性。结 果见下表3。

                   表3 样品号 锁定层 MR率 Hp(kA/m)  C(1) LaBO3  18  45  C(2) PrBO3  17  40  C(3) NdBO3  17  45  C(4) SmBO3  18  50  C(5) GdBO3  17  35  C(6) TbBO3  16  35  C(7) DyBO3  16  35  C(8) YBO3  18  50  C(9) HoBO3  16  40  C(10) BiBO3  16  40  C(11) CaBO3  17  40  C(12) SrBO3  17  40

由表3和表1结果的对比可以看出，即使在设置复合层作为自由 层以增加MR率，并以复合层设置锁定层时，仍可得到基本上相同水 平的Hp值。

如实施例1，制造如图3A所示的双旋转阀薄膜D(i)、E(i)和 F(i)。

D(i)：ABO3(30)/Co(3)/Cu(2.5)/Co(1)/Ni0.8Fe0.2(5) /Co(1)/Cu(2.5)/Co(3)/Ir-Mn(8)

E(i)：ABO3(30)/Co(3)/Cu(2.5)/Co(1)/Ni0.8Fe0.2(5)/Co(1)/Cu(2.5)/Co(3)/Fe-Co-O(30)

F(i)：ABO3(30)/Co(3)/Cu(2.5)/Co(1)/Ni0.8Fe0.2(5)/Co(1)/Cu(2.5)/Co(3)/ABO3(30)

如实施例1，对上述所得的样品MR装置进行热处理。然后按照 基本上与实施例2相同的方式评估它们的特性。结果见下表4。

                   表4 样品号 锁定层 MR率 Hp(kA/m)  D(1) LaBO3  22  20  D(2) PrBO3  21  20  D(3) NdBO3  21  20  D(4) SmBO3  22  20  D(5) GdBO3  21  20  D(6) TbBO3  20  20  D(7) DyBO3  20  20  D(8) YBO3  22  20  D(9) HoBO3  20  20  D(10) BiBO3  20  20  D(11) CaBO3  21  20  D(12) SrBO3  21  20 样品号 锁定层 MR率 Hp(kA/m)  E(1) LaBO3  28  40  E(2) PrBO3  27  35  E(3) NdBO3  27  40  E(4) SmBO3  28  45  E(5) GdBO3  27  30  E(6) TbBO3  26  30  E(7) DyBO3  26  30  E(8) YBO3  28  45  E(9) HoBO3  26  35  E(10) BiBO3  26  35  E(11) CaBO3  27  35  E(12) SrBO3  27  35 样品号 锁定层 MR率 Hp(kA/m)  F(1) LaBO3  29  45  F(2) PrBO3  28  40  F(3) NdBO3 28  45  F(4) SmBO3  29  50  F(5) GdBO3 28  35  F(6) TbBO3  27  35  F(7) DyBO3  27  35  F(8) YBO3  29  50  F(9) HoBO3  27  40  F(10) BiBO3  27  40  F(11) CaBO3  28  40  F(12) SrBO3  28  40

从表4的结果可以看出，用根据本发明之该实施例的MR装置可 得到极大的MR率，这对常规MR装置是不可能实现的。这似乎是由 于以下原因：如图3A所示，固定层3的磁化方向很好地被锁定层2的 较大锁定作用固定住，由此在固定层3和自由层5之间实现了令人满 意的磁化逆平行作用。

样品装置D(i)具有略小的MR率和Hp值。这是由于使用IrMn作为上锁定层。但是，样品装置D(i)的优点是，在制造MR头时， 因为上层是金属层，所以相对容易形成上引线区(图4中为13)。

使用样品MR装置F(8)制造如图8所示的轭型头。由等离子体 氧化法制得的约2nm厚的Al-O超薄薄膜用于图8所示之结构中的绝 缘薄膜区82。

具有高透射率的Co-Nb-Zr型无定形合金层用于轭区81。在该 实施例的轭型MR头和表2所示之实施例3中对比MR头B(0)之间 进行输出比较。对比结果表明本实施例的轭型MR头的输出比对比MR 头的输出增加约+3db。

使用本发明氧化物制成的锁定层的交换耦联薄膜可提供大的锁定 磁场。而且，与常规MR装置相比，使用上述薄膜的MR装置可提供 大的MR率和大的锁定磁场，由此实现了具有高输出和稳定特性的MR 头。

在不偏离本发明的范围和实质的情况下，本领域技术人员还可显 而易见地进行各种其它的改进，而且这也是非常容易的。因此，所附 权利要求书的范围并不仅限于上述描述，而是该权利要求书可进行更 宽的解释。