説明

トンネル磁気抵抗効果素子の試験方法及び装置

【課題】トンネル磁気抵抗効果素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置を提供する。
【解決手段】トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法において、異なる電流に対する第1及び第2の抵抗値を測定する測定ステップと、同一の設計が施された前記再生素子の良品から求めた前記第1の抵抗値と前記第1と第2の抵抗値の差分と、トンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第1および第2の抵抗値を比較する比較ステップと、前記再生素子の抵抗変化率の絶対値が前記抵抗値差分曲線よりも低い場合には、前記再生素子を不良品として判定する判定ステップとを備えることを特徴とする再生素子試験方法を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般には、再生素子又は読み取り素子の試験方法に係り、特に、トンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magnetoresistive:TMR)素子の試験方法に関する。本発明は、例えば、ハードディスク装置(Hard Disc Drive:HDD)に使用されるTMR(ヘッド)素子の試験方法に好適である。
【背景技術】
【0002】
近年のインターネット等の普及に伴って大量の情報を安定して再生するHDDの需要が増大してきた。大容量化の需要に応えるためにディスクの面記録密度を増加すると信号磁界が弱くなる。この微弱な信号磁界を読み取るためには小型で高感度な再生素子が必要である。
【0003】
かかる再生素子としてTMR膜を有するTMR素子が知られている。TMR膜は絶縁膜を2枚の磁性膜で挟んだ構造を有し、積層面に垂直にトンネル電流が流れる。しかし、絶縁膜にピンホールがあったり、絶縁膜の周辺にショートがあったりすると、TMRヘッドの抵抗が低下し、再生出力、即ち、感度が低下する。このため、従来はTMR膜の抵抗値を測定することによってTMRヘッドの性能試験を行っている。また、TMRヘッドの抵抗変化率ΔR/Rを求め、ピンホールの有無を判定する方法も知られている(例えば、特許文献1を参照のこと)。なお、ショートがあっても抵抗は完全に0ではなく、本出願はショートがある部分の抵抗を「ショート抵抗」と呼ぶ場合がある。ショート抵抗が高ければ絶縁膜はある程度機能を発揮しているが、ショート抵抗が低いとTMR膜は感度が低下する
TMR膜の電圧とトンネル磁気抵抗との関係を図1に示すようになる(非特許文献1)。通常の抵抗はオームの法則に従い電流に対して線形であるが、TMR膜では、図1に示すように、抵抗と電圧の関係(R−V曲線)は非線形になる。
【特許文献1】特開2006−66873号公報
【非特許文献1】W.F.Brinkman, R.C.Dynes, J.M.Rowell,J. Appl. Phys. 41 1951(1970)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、従来の方法ではショートを有するTMR素子の良品判定を効果的に行うことができなかった。まず、TMR膜の抵抗値はプロセスによりバラツキくため抵抗値を利用した方法はショートによるヘッドの良否を精度良く判定できない。また、抵抗変化率を利用した方法はTMR膜のピンホールの有無による膜品質を判定することはできるが、ショートによるヘッドの良否を判別することができない。
【0005】
本発明は、TRM素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面としての試験方法は、トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法であって、異なる電流に対する第1及び第2の抵抗値を測定する測定ステップと、同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第1および第2の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較ステップと、前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定ステップとを備えることを特徴とする。かかる試験方法は、ショート抵抗に基づいて再生素子の良品判定を行うことができる。上記再生素子試験方法は、良品の前記再生素子のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式を基に、良品に特定の抵抗値を有する抵抗を並列に繋いだ場合から前記抵抗値差分曲線を取得し、前記判定ステップは、前記抵抗値差分曲線と比較して前記抵抗変化率の絶対値が高い場合には前記再生素子を良品として判定してもよい。好ましくは前記良品の前記再生素子の前記特定の抵抗値は1000Ωである。前記トンネル磁気抵抗と電圧の理論式は、例えば、Brinkmanの理論式である。前記判定ステップにおいて前記抵抗変化率が前記抵抗値差分曲線に近接しているならば前記再生素子を良品として判定してもよい。前記第1及び第2の関係における抵抗は、0.1mAを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第1の抵抗値であり、前記第1及び第2の関係における抵抗変化率は、0.4mAを前記トンネル磁気効果膜に流した時の第2の抵抗値から前記第1の抵抗値を引いた値を第1の抵抗値で割って100をかけた値であってもよい。好ましくは前記再生素子に許容される抵抗の範囲は300Ω乃至400Ωである。
【0007】
本発明の一側面としての試験装置は、トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験装置において、異なる電流に対する第1及び第2の抵抗値を測定する測定部と、同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第1及び第2の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較部と、前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定部とを備えることを特徴とする。かかる試験装置は、ショートを有する再生素子の良品判定を行うことができる。
【0008】
上述の試験方法をコンピュータにより実行させるためのプログラムも本発明の別の側面を構成する。
【0009】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、TMR素子の良否を判別する効果的な試験方法及び装置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】
【0011】
以下、図2を参照して、後述するHDD(記憶装置)100に使用される磁気ヘッド素子の試験装置1について説明する。試験装置1は、パーソナルコンピュータ(PC)10と、被検物であるヘッドジンバルアッセンブリ(Head Gimbal Assembly:HGA)111を搭載する搭載部20と、検出部40と、電流供給部50とを有する。HGA111は、スライダが搭載されたサスペンションアッセンブリであり、ヘッドサスペンションアッセンブリと呼ばれる場合もある。
【0012】
試験装置1は、HGA111がHDD100に搭載される前に、HGA111の良品及び不良品の検査を行う試験装置である。HGA111は、後述するように、磁気ヘッド部120を搭載しており、磁気ヘッド部120は後述するディスク104に情報を書き込むための記録素子(インダクティブヘッド素子130)とディスク104から情報を読み取るための再生素子(TMRヘッド素子140)とを有する。そして、試験装置1は、記録素子と再生素子を試験してそれぞれか良品であるか不良品であるかをそれらと関連付けながら出力するが、本実施例では、再生素子の試験方法についてのみ説明する。
【0013】
PC10は、試験装置1の動作モードを制御すると共に試験結果を出力及び格納する。本実施例ではPC10は試験装置1の一部であるが、別の実施例では、PC10はネットワークを介して試験装置1に接続される。PC10は、PC本体12と、キーボードやマウスなどの入力部14と、ディスプレイなどの出力部16とを有する。PC本体12は、CPUなどの制御部12aと、メモリ12bとを有する。制御部12aは、試験方法に必要な様々な演算や判断を行う。メモリ12bは、試験方法を格納すると共にそれに必要な様々なデータを格納している。試験装置1の動作モードはソフトウェアプログラムとして具体化されてメモリ12bに格納されており、ユーザは出力部16を参照しながら入力部14と制御部12aを通じて動作モードを選択することができる。
【0014】
搭載部20はHGA111を搭載する。HGA111が搭載部20に搭載されている状態で、電流供給部50からHGA111の再生素子に電流を供給する。検出部40は、電流供給部50がHGA111を通電している間のTMR素子の抵抗を検出する。検出部40が検出した情報はPC10の制御部12aに伝達される。
【0015】
以下、図3を参照して、試験装置1の動作について説明する。ここで、図3は、本実施例の試験方法を説明するためのフローチャートである。図3に示す試験方法は、PC10において実行可能なプログラムとして具体化される。まず、制御部12aは、1000Ωの抵抗値を有する抵抗がTMR膜に並列に接続されたと仮定してTMR膜に関する抵抗と抵抗変化率との関係をBrinkmanの理論式から取得する(ステップ1002)。これは、後述する理論曲線(b)を取得するステップである。
【0016】
前提として、メモリ12bは、次式で示すBrinkmanの理論式と図1に示すTMR膜の電圧と抵抗との関係を予め格納している。
【0017】
【数1】

【0018】

【0019】


【0020】
である。

【0021】
はそれぞれの界面でのバリアハイト、dは絶縁膜厚を示す。また、メモリ12bは次式で規定される抵抗変化率ΔR/Rも格納している。
【0022】
【数2】

【0023】
図1に示すBrinkmanの理論曲線は縦軸の抵抗値が電圧が0のときに1になるように規格化されている。一方、実際のTMR素子の抵抗値は300Ω乃至400Ωである。このため、ユーザは、入力部14から数式1に実際のTMR素子に必要なパラメータ値を入力する。この入力値と数式2を利用して、制御部12aは図4に示す理論曲線(a)を取得する。
【0024】
0.1mAと0.4mAは、抵抗変化率を求めるのに使用されるがこれに限定されるものではない。しかし、これらの電流値は、抵抗変化率の変化が大きく、トンネル磁気抵抗効果膜を破壊しない安全な範囲の電流値であり、本発明者が経験上得た値である。理想曲線(a)は抵抗400Ω、抵抗変化率−3%のものを基準としており、TMR膜の抵抗に並列に接続される(ショート)抵抗が無限大である場合の理想曲線である。
【0025】
次に、入力部14を通じて、ユーザは、TMR膜がショートした場合にショートした部分に許容される最小のショート抵抗値を入力し、制御部12aは入力されたショート抵抗値を設定する。本発明者は、それが経験的に1000Ω付近であることを発見した。そして、制御部12aは、理想曲線(a)に示すTMR膜に1000Ωの抵抗が並列に接続されていると仮定したモデルの理想曲線を理想曲線(b)として求める。図4は、参考のために、理想曲線(a)に示すTMR膜に500Ωの抵抗が並列に接続されていると仮定したモデルの理想曲線を理想曲線(c)として示している。理想曲線(c)が理想曲線(b)の上側にあるので、理想曲線(b)の上側が1000Ωの抵抗値よりもショート抵抗値が小さくなる側であることが理解される。メモリ12bは、少なくとも理想曲線(b)が描かれた図3のグラフを格納しておく。
【0026】
次に、制御部12aは、電流供給部50に対して磁気ヘッド構造体111のTMR素子に0.1mAと0.4mAの電流を流すように命令し、検出部40に各電流値に対して検出した、TMR素子の抵抗値を検出させる(ステップ1004)。
【0027】
次に、制御部12aは、検出部40から検出結果を取得し、これにより、試験対象としてのTMR素子の抵抗と抵抗変化率との関係を取得する(ステップ1006)。ステップ1006は検出部40の検出結果を図3にプロットすることである。横軸には、TMR素子に0.1mAの電流を流したときの抵抗値が設定される。縦軸には、TMR素子に0.4mAの電流を流したときの抵抗値から0.1mAの電流を流したときの抵抗値を引いた値を0.1mAの電流を流したときの抵抗値で割って100をかけた値が設定される。図3には菱形で検出部40の検出結果がプロットされている。
【0028】
次に、制御部12aは、ステップ1006の関係が、TMR素子に許容される抵抗の範囲内であるかどうかを判断する(ステップ1008)。同一の設計が施された良品のTMR素子に許容される抵抗の範囲は、本発明者の経験上、300Ω乃至400Ωである。
【0029】
制御部12aは、ステップ1006の関係がTMR素子に許容される抵抗の範囲内であると判断すると(ステップ1008)、ステップ1006の関係が理想曲線(b)に関し、検出された抵抗値はショート抵抗が大きい側にあるかどうかを判断する(ステップ1010)。理想曲線(b)に関し、検出された抵抗値はショート抵抗が大きい側とは、図3においては理想曲線(b)の下側である。結局、ステップ1008及び1010における2つの条件を満足する範囲、即ち、試験に合格する範囲は図5に示す斜線部分である。
【0030】
本実施例では、許容される最小のショート抵抗値を入力した理想曲線(b)を基に試験を行ったが、理想曲線(a)の上下に近接する抵抗変化率を有するTMR膜を良品として判定する試験であってもよい。
【0031】
ステップ1008又は1010でNOと判断されたTMR素子は不良品とみなされる(ステップ1012)。良品は、その後に読み取り性能試験を行い、更に合格したものをHDD100に搭載する(ステップ1014)。従来は本実施例の試験を実施しておらず、全製品に対して読み取り性能試験を行っていた。これに対して、本実施例の試験に合格したもののみに対して読み取り性能試験を行ったところ読み取り試験に合格する製品の割合、即ち、歩留まりが約10%向上した。
【0032】
以下、図6及び図7を参照して、HGA111が搭載された後のHDD100について説明する。HDD100は、図6に示すように、筐体102内に、記録媒体(又は記憶媒体)としての一又は複数の磁気ディスク104と、スピンドルモータ106と、ヘッドスタックアッセンブリ(Head Stack Assembly:HSA)110とを収納する。HGA111はヘッドスタックアッセンブリ110の一部を構成する。ここで、図6は、HDD100の内部構造の概略平面図である。
【0033】
筐体102は、直方体形状を有し、内部空間を密閉する図示しないカバーが結合される。磁気ディスク104は高い面記録密度、例えば、100Gb/in以上を有する。磁気ディスク104は、その中央に設けられた孔を介してスピンドルモータ106のスピンドル(ハブ)に装着される。
【0034】
HSA110は、磁気ヘッド部120と、キャリッジ170と、ベースプレート178と、サスペンション179とを有する。
【0035】
磁気ヘッド部120は、スライダと、スライダの空気流出端に接合されて、磁気記録再生ヘッドとを有する。スライダは、ヘッドを支持して回転するディスク面から浮上する。ヘッドは、ディスク104に記録再生を施す。
【0036】
図7は、ヘッドの拡大平面図である。ヘッドは、例えば、導電コイルパターン131で生起される磁界を利用してディスク104に2値情報を書き込む誘導書き込みヘッド素子(以下、「インダクティブヘッド素子」という。)130と、磁気ディスク104から作用する磁界に応じて変化する抵抗に基づき2値情報を読み取るTMRヘッド素子140とを有するMRインダクティブ複合ヘッドである。
【0037】
インダクティブヘッド素子130は、非磁性ギャップ層132と、上部磁極層134と、Alからなる絶縁膜136と、上部シールド兼上部電極層139とを有する。但し、上部シールド兼上部電極139はTMRヘッド素子140の一部も構成する。TMRヘッド素子140は、上部シールド層139と、下部シールド層142と、上部ギャップ層144と、下部ギャップ層146と、TMR膜150と、TMR膜150の両側に配置された一対のハードバイアス膜160とを有する。TMR膜150は、図7に示す下から順に、フリー(強磁性)層152、(非磁性)絶縁層154、ピンド(磁性)層156、反強磁性層158を有する。TMR膜は、絶縁層154を2つの強磁性層で挟んだ構造を持つ強磁性トンネル接合を有し、2つの強磁性層間に電圧を印加した場合に−側の強磁性層中の電子が絶縁層をくぐり抜けて+側の強磁性層にトンネルする現象を利用する。絶縁層154には、例えば、Al膜を使用する。TMRヘッド素子140は、矢印CFで示すように、TMR膜150の積層面に垂直に又は積層方向に平行にセンス電流を印加するCPP構造を有する。
【0038】
再び図1に戻って、キャリッジ170は、磁気ヘッド部120を図1に示す矢印方向に回動又は揺動する機能を有し、支軸174と、アーム176とを有する。支軸174は、キャリッジ170に設けられた円筒中空孔に嵌合し、筐体102内に図1の紙面に垂直に配置される。アーム176は、先端に貫通孔を有する。この貫通孔とベースプレート178を介してサスペンション179がアーム176に取り付けられる。
【0039】
ベースプレート178は、サスペンション179をアーム176に取り付ける。サスペンション179は、磁気ヘッド部120を支持すると共に磁気ヘッド部120に対してディスク104に抗して弾性力を加える機能を有する。
【0040】
HDD100の動作において、スピンドルモータ106はディスク104を回転させる。ディスク104の回転に伴う空気流をスライダとディスク104との間に巻き込み微小な空気膜を形成する。かかる空気膜により、スライダにはディスク面から浮上する浮力が作用する。サスペンション179はスライダの浮力と対向する方向に弾性押付力をスライダに加える。この結果、浮力と弾性力の釣り合いが形成される。
【0041】
上述の釣り合いにより、磁気ヘッド部120とディスク104との間が一定距離だけ離間する。次に、キャリッジ170を支軸174回りに回動させ、ヘッドをディスク104の目的のトラック上にシークさせる。書き込み時には、インターフェースを介して図示しないPCなどの上位装置から得たデータを受信し、これを変調してインダクティブヘッド素子130に供給し、インダクティブヘッド素子130を介して目的のトラックにデータを書き込む。読み出し時には、TMRヘッド素子140に所定のセンス電流が供給され、TMRヘッド素子140はディスク104の所望のトラックから所望の情報を読み出す。本実施例は、ショート抵抗の高いTMRヘッド素子140を選別しているのでHDD100の読み出し動作も安定する。
【0042】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】TMR膜の電圧と抵抗との関係を示すグラフである。
【図2】本発明の一実施例としての試験装置の平面図である。
【図3】本発明の一実施例の試験方法を説明するためのフローチャートである。
【図4】図3に示す試験方法で使用されるグラフである。
【図5】図3に示す試験方法で使用されるグラフである。
【図6】図1に示すヘッドジンバルアッセンブリが搭載されるHDDの平面図である。
【図7】図6に示す磁気ヘッド部の概略拡大平面図である。
【符号の説明】
【0044】
1 試験装置
10 パーソナルコンピュータ(PC)
12a 制御部
40 検出部
50 電流供給部
100 ハードディスク装置(HDD)
111 ヘッドジンバルアッセンブリ
120 磁気ヘッド部
140 TMRヘッド素子(再生素子)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験方法であって、
異なる電流に対する第1及び第2の抵抗値を測定する測定ステップと、
同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第1及び第2の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較ステップと、
前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定ステップとを備えることを特徴とする再生素子試験方法。
【請求項2】
良品の前記再生素子のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式を基に、良品に特定の抵抗値を有する抵抗を並列に繋いだ場合から前記抵抗値差分曲線を取得し、
前記判定ステップは、前記抵抗値差分曲線と比較して前記抵抗変化率の絶対値が高い場合には前記再生素子を良品として判定することを特徴とする請求項1記載の再生素子試験方法。
【請求項3】
前記良品の前記再生素子の前記特定の抵抗値は1000Ωであることを特徴とする請求項2記載の再生素子試験方法。
【請求項4】
前記トンネル磁気抵抗と電圧の理論式は、Brinkmanの理論式であることを特徴とする請求項1記載の再生素子試験方法。
【請求項5】
前記判定ステップにおいて前記再生素子の前記抵抗変化率が前記抵抗値差分曲線に近接しているならば前記再生素子を良品として判定することを特徴とする請求項1記載の再生素子試験方法。
【請求項6】
前記第1及び第2の関係における抵抗は、0.1mAを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第1の抵抗値であり、
前記第1及び第2の関係における抵抗変化率は、0.4mAを前記トンネル磁気抵抗効果膜に流した時の第2の抵抗値から前記第1の抵抗値を引いた値を第1の抵抗値で割って100をかけた値であることを特徴とする請求項1記載の再生素子試験方法。
【請求項7】
前記再生素子に許容される抵抗の範囲は300Ω乃至400Ωであることを特徴とする請求項1記載の再生素子試験方法。
【請求項8】
トンネル磁気抵抗効果を利用した再生素子の再生素子試験装置において、
異なる電流に対する第1及び第2の抵抗値を測定する測定部と、
同一の設計が施された前記再生素子の良品のトンネル磁気抵抗と電圧の理論式から求めた抵抗値差分曲線と、前記測定ステップで測定した第1及び第2の抵抗値から求めた抵抗変化率を比較する比較部と、
前記再生素子の前記抵抗変化率と前記抵抗値差分曲線を比較することで前記再生素子の良品判定を行う判定部とを備えることを特徴とする再生素子試験装置。
【請求項9】
請求項1乃至7のうちいずれか一項記載の試験方法をコンピュータにより実行させるためのプログラム。


【図7】
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【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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【公開番号】特開2008−192270(P2008−192270A)
【公開日】平成20年8月21日(2008.8.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−28686(P2007−28686)
【出願日】平成19年2月8日(2007.2.8)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】