具有与波导相邻的光学反射屏蔽材料的热辅助磁记录(HAMR)头的制作方法

具有与波导相邻的光学反射屏蔽材料的热辅助磁记录(hamr)头
技术领域
1.本发明整体涉及热辅助磁记录(hamr)盘驱动器，其中在盘上的磁记录层处于升高的温度时写入数据，并且更具体地，涉及改进的hamr头。


背景技术：

2.在常规磁记录中，在记录介质中所存储的磁化的热不稳定性可导致记录数据的丢失。为避免这种情况，需要具有高磁晶各向异性(ku)的介质。然而，增大ku也增大介质的矫顽磁性，这可超出写入头的写入字段能力。由于已知记录层的磁性材料的矫顽磁性依赖于温度，因此对于热稳定问题的一种建议解决方案是热辅助磁记录(hamr)，其中高ku磁记录材料在通过主磁极写入期间被局部加热以降低足以进行写入的矫顽磁性，但其中矫顽磁性/各向异性足够高，以在盘驱动器的环境温度(即，约15℃-30℃的正常操作温度或“室温”)下实现所记录位元的热稳定性。在一些提出的hamr系统中，磁记录材料被加热至接近或高于其居里温度。然后，通过常规磁阻读取头在环境温度下回读所记录的数据。已经针对常规连续介质提出了hamr盘驱动器，其中磁记录材料是盘上的连续层，并且针对位元图案介质(bpm)提出了hamr盘驱动器，其中磁记录材料被图案化成离散数据岛或“位元”。
3.一种类型的提出的hamr盘驱动器使用激光源和耦合到近场换能器(nft)的光学波导，用于加热盘上的记录材料。“近场”换能器是指“近场光学器件”，其中光通过具有亚波长特征的元件，并且光耦合到位于距第一元件亚波长距离的第二元件，诸如磁记录介质之类的衬底。nft通常位于气体轴承滑块的气体轴承表面(gbs)处，该气体轴承滑块还支撑读/写头并且骑跨或“归档”在盘表面上方。
4.具有大体三角形或梯形输出端的nft在us 8,705,327 b2中有所描述。在该nft中，在波导的表面处产生的消散波耦合到在nft的表面上激发的表面等离子激元，并且在输出端的顶点处产生强光学近场。


技术实现要素：

5.在hamr中期望改善光学效率，使得波导模式有效地转换为光学近场，并且将光更多地限制在nft的顶点处。这将改善记录层中的热梯度，这意味着在被记录的位的边缘处存在温度的急剧下降。这将增加区域数据密度并降低激光功率以减少激光的功率消耗。
6.在本发明的实施方案中，光学反射侧屏蔽件在gbs处与波导的跨磁道侧相邻定位。这些侧屏蔽件还可与该nft的跨磁道侧相邻定位，并且在沿磁道方向上延伸到写入头的磁返回极。这些侧屏蔽件的在该gbs处与该nft相邻的部分之间的跨磁道间隙宽度可不同于这些侧屏蔽件的在该gbs处与该波导端部相邻的部分之间的跨磁道间隙宽度。
7.为了更全面地理解本发明的实质和优点，应当参考结合附图所作的以下具体描述。
附图说明
8.图1是根据本发明的实施方案的热辅助磁记录(hamr)盘驱动器的顶视图。
9.图2是根据现有技术的在hamr盘驱动器中使用的气体轴承滑块和hamr盘的一部分的侧剖视图，该侧剖视图由于难以显示非常小的特征部而未按比例绘制。
10.图3a是根据现有技术并且相对于盘上的记录层示出的构成主极和初级极、近场换能器(nft)和波导的材料层的侧剖视图。
11.图3b是根据现有技术的主极、初级极、nft、锥形波导和位于主极的跨磁道侧上的热沉材料的透视图。
12.图4a是现有技术hamr头的穿过x-z平面的剖视图，并且图4b是穿过x-z平面的透视剖视图，其中光学反射屏蔽件与仅nft的跨磁道侧相邻。
13.图5a是根据本发明的实施方案的hamr头的穿过x-z平面的透视剖视图，图5b是从气体轴承表面(gbs)观察的视图，并且图5c是穿过x-y平面的剖视图。
14.图6a是本发明的另一个实施方案的穿过x-z平面的透视剖视图，并且图6b是从gbs观察的视图。
15.图7a是根据本发明的实施方案的hamr头的从gbs观察的视图，并且图7b是穿过x-y平面的剖视图，示出了侧屏蔽件之间的跨磁道间隙宽度。
16.图8a是根据本发明的实施方案的hamr头的穿过x-y平面的剖视图，示出了侧屏蔽件的多个锥角。
17.图8b是根据本发明的实施方案的hamr头的穿过x-y平面的剖视图，示出了侧屏蔽件的弯曲表面。
18.图9是根据本发明的实施方案的hamr头的gbs视图，示出了不平行于波导端部的跨磁道侧边缘的侧屏蔽件。
19.图10是根据本发明的实施方案的适用于叠瓦式磁记录(smr)的hamr头的gbs视图。
具体实施方式
20.图1是根据本发明的实施方案的热辅助记录(hamr)盘驱动器100的顶视图。在图1中，hamr盘驱动器100被描绘为具有盘150，该盘具有布置在径向间隔开的圆形磁道118中的常规连续磁记录材料的磁记录层31。仅示出了靠近盘150的内径和外径的若干代表性磁道118。然而，记录层可以是具有离散数据岛的位元图案化介质(bpm)层，而不是常规的连续磁记录层。
21.驱动器100具有支撑致动器130的外壳或基部112和用于使磁记录盘150旋转的驱动马达。致动器130可为具有刚性臂131并围绕枢轴132旋转(如箭头133所示)的音圈马达(vcm)旋转致动器。头悬架组件包括悬架135和头载体诸如气体轴承滑块120，该悬架具有附接到致动器臂131的端部的一端，该头载体附接到悬架135的另一端。悬架135允许滑块120保持非常接近盘150的表面，并且使其能够在盘150沿箭头20的方向旋转时在由该盘生成的气体(通常为空气或氦气)轴承上“倾斜”和“滚动”。滑块120支撑hamr头(未示出)，该hamr头包括磁阻读取头、感应式写入头、近场换能器(nft)和光学波导。具有780nm至980nm波长的半导体激光器88可用作hamr光源，并且被描绘为支撑在滑块120的顶部上。作为另外一种选择，激光器可位于悬架135上并通过光学通道耦合到滑块120。当盘150沿箭头20的方向旋转
时，致动器130的移动允许滑块120上的hamr头访问盘150上的不同数据磁道118。滑块120通常由复合材料形成，诸如氧化铝/碳化钛(al2o3/tic)的复合材料。图1中仅示出了具有相关联的滑块和读写头的一个盘表面，但通常在由主轴马达旋转的轮毂上堆叠有多个盘，其中单独的滑块和hamr头与每个盘的每个表面相关联。
22.在以下附图中，x轴表示垂直于滑块的气体轴承表面(gbs)的轴线，y轴表示磁道宽度或跨磁道轴线，并且z轴表示沿磁道轴线。图2是示出根据现有技术的hamr头的构型示例的示意性剖视图。在图2中，盘150被描绘为具有记录层31，该记录层为具有磁化区域或“位元”34的可磁化材料的常规连续磁记录层。气体轴承滑块120由悬架135支撑并且具有面向盘150并支撑磁写入头50、读取头60以及磁可渗透读取头屏蔽件s1和s2的gbs。在gbs上通常形成有保护性外覆层(未示出)，如类金刚石碳(dlc)，因此gbs是直接位于保护性外覆层下方的表面。如本文所用，短语“位于gbs处”和“实质上位于gbs处”精确地意指位于gbs处，从gbs略微突出或从gbs略微凹入。记录磁场由写入头50生成，该写入头由线圈56、用于传输由线圈56产生的通量的初级磁极53、连接到初级极53的主极52、以及耦合到初级极53和主极52的返回磁极54组成。由线圈56产生的磁场通过初级极53传输到布置在光学近场换能器(nft)层74附近的主极52。图2示出了具有公知的“扁平”线圈56的写入头50，其中线圈段位于实质上相同的平面中。然而，作为另外一种选择，线圈可为公知的“螺旋”线圈，其中线圈缠绕在初级磁极53周围。在记录的时刻，盘150的记录层31被在nft层74的尖端处产生的光学近场加热，并且同时，通过施加由主极52产生的记录磁场将区域或“位元”34磁化并因此写入到记录层31上。
23.半导体激光器88安装到滑块120的顶部表面。用于将来自激光器88的光引导至nft层74的光学波导73形成于滑块120内。确保波导73芯材料的折射率大于围绕的包覆材料(未示出)的折射率的材料可用于波导73。例如，al2o3可用作包覆材料，并且tio2、t2o5和sio
x
ny可用作芯材料。另选地，sio2可用作包覆材料，并且ta2o5、tio2、nb2o5、sio
x
ny或ge掺杂的sio2用作芯材料。将光传送至nft层74的波导73优选地为单模波导。
24.图3a为现有技术hamr头的侧剖视图，并且示出构成初级极53、主极52、nft层74和波导73的材料层，并且相对于具有记录层31的盘150示出。主极52通常为一层高磁矩材料如feco，并且在gbs处具有极尖端52a。波导73是大体平行于主极52层的芯材料层，其长度正交于gbs，并且可具有从gbs凹入的区域73b延伸到在gbs处的波导端部73d的锥形区域73a。波导73具有围绕的包覆材料77和面向且平行于nft层74的大体平坦的表面73c。nft层74为导电低损耗金属(优选au，但是还有ag、al、cu、rh、ir或它们的合金)，大体平行于波导73层和主极52层，并且位于波导73层和主极52层之间并与它们间隔开。nft层74具有面向波导表面73c并与该波导表面间隔开的表面74a。nft层74具有位于gbs处的输出尖端80。当光被引入波导73中时，消散波在表面73c处产生并且耦合到在nft层74的表面74a上激发的表面等离子激元。箭头23示出了光在波导73中的传播方向，并且箭头24示出了光的偏振方向。表面等离子激元传播到nft输出尖端80。输出尖端80具有面向主极尖端52a的顶点80a和面向波导表面73c的后边缘80b。在顶点80a处，在gbs处在输出尖端顶点80a和主极尖端52a之间的空间中产生光学近场点。主极尖端52a在光点处施加磁场。具有高热导率的材料诸如au、ag或cu的热分流器90可位于nft层74和主极52之间，以允许热量从光点传递到位于主极52的跨磁道侧上的热沉材料。热分流器在us8619516 b1中有所描述，该专利被转让给与本技术相
同的受让人。图3b为现有技术hamr头的透视图，并且示出了与热分流器90接触的热沉材料92，以及主极53、主极52、nft输出尖端80和波导端部73d。
25.图4a是现有技术hamr头的穿过x-z平面的剖视图，并且图4b是穿过x-z平面的透视剖视图，其中光学反射屏蔽件与仅nft的跨磁道侧相邻。光学反射屏蔽件62与nft输出尖端80的跨磁道侧相邻形成。附加的光学反射屏蔽件64位于nft尖端80下方(在 z方向上)并且位于波导73和gbs之间。图4b还示出了返回极54和光学屏蔽件64与返回极54之间的镜面层55。镜面层55由高反射材料如au形成，并且改善热梯度和光学效率，从而得到较低的激光功率。光学屏蔽件64的倾斜表面65的法向矢量在x-z平面中。倾斜表面65面向nft尖端80，并且增大光学屏蔽件64和远离gbs的nft尖端80之间的沿磁道(z方向)距离。为了激发nft尖端80上的表面等离子体，波导模式必须是光偏振在z方向(箭头24)上的横向磁场(tm)模式。在图4a至图4b的现有技术中，nft尖端80和光学屏蔽件64沿光偏振方向定位。这导致nft尖端80中的电荷与光学屏蔽件64中的电荷之间的强相互作用，如图4a所示。这引起在nft尖端80和光学屏蔽件64之间的间隙67中产生的强背景光。这还引起所需激光功率的大幅升高。因为光学屏蔽件64位于nft尖端80下方( z方向)，所以这还造成强光吸收，从而导致光学屏蔽件64中的温度大幅升高，这对于可靠性而言是不期望的。us 8,705,327 b2描述了具有光学反射屏蔽件的hamr头，该光学反射屏蔽件位于nft下方。us 10,115,423 b1描述了具有光学反射屏蔽件的hamr头，该光学反射屏蔽件位于nft下方并且与仅nft的跨磁道侧相邻，类似于图4a至图4b所描绘。
26.图5a是根据本发明的实施方案的hamr头并且穿过x-z平面的透视剖视图，图5b是从gbs观察的视图，并且图5c是穿过x-y平面的剖视图。图5b还描绘了在热沉材料92包括可扩散到主极52的磁性材料中的元素如cu或au时可选的扩散阻挡层93，该扩散阻挡层在现有技术中是已知的。光学反射侧屏蔽件164在波导73的跨磁道侧(y方向)上。倾斜表面165的法向矢量在x-y平面中，并且倾斜表面165面向波导73的侧面。侧屏蔽件164和nft尖端80之间的跨磁道距离在远离gbs的-x方向上增大。与现有技术(图4b)不同，nft尖端80和侧屏蔽件164不沿光偏振方向(箭头24)共线定位，并且nft下方( z方向)的空间是开放的。因此，nft尖端80和光学反射侧屏蔽件164之间的相互作用较弱，并且在nft尖端80和侧屏蔽件164之间不产生背景光。图5a至图5c的实施方案还包括与侧屏蔽件164的跨磁道侧相邻的任选的侧热沉器102。
27.侧屏蔽件可由au、rh、ir、cu、ag、al、aln、tin、ru、cr、pt、ti、fe、co、ni或pd或这些材料中的一种或多种的合金形成。优选地使用具有高反射率的材料，诸如au、rh、ir、cu、ru、pd、cr、ag、tin及其合金。通过使用高反射率材料，改善光学效率，这在nft尖端80和侧屏蔽件164处得到较低的激光功率和较低的温度上升。铁磁材料如nife或cofe也可用于侧屏蔽件材料，并且铁磁材料不仅限制光场而且限制磁场，这有助于减少相邻的磁道干扰。侧屏蔽件可由多个层形成。例如，高反射率材料可仅用在侧屏蔽件的表面上，并且其他材料可用于侧屏蔽件的内部以改善暴露在gbs处的侧屏蔽件的机械稳健性。热沉器102可形成在侧屏蔽件164的跨磁道侧上。侧屏蔽件吸收光并且这导致nft的温度升高。通过形成与侧屏蔽件相邻的热沉器，可降低nft温度。热沉器102可由cu、au、ag、al、w、ru、cr、sin、aln、tic、sic、be、fe、feco或nife或这些材料中的一种或多种的合金形成，其中高热导率材料如cu或au是优选的。侧屏蔽件的高反射率层可延伸到热沉器的侧面。
28.图5a至图5b描绘了其中侧屏蔽件164与仅波导73相邻并且不在 z方向上朝向返回极54延伸的实施方案。图6a是本发明的另一个实施方案的穿过x-z平面的透视剖视图，并且图6b是从gbs观察的视图。在该实施方案中，具有倾斜表面265的侧屏蔽件264还与nft尖端80的跨磁道侧相邻并且在 z方向上朝向返回极54延伸。侧屏蔽件264可与任选的镜面层55接触，或与返回极54接触。如果侧屏蔽件仅与nft尖端80相邻定位，如图4b的现有技术所示，则热梯度未得到改善。然而，如图6a所示，使侧屏蔽件延伸到与波导73相邻，计算机模拟已示出10％的热梯度改善。通过使侧屏蔽件延伸到光学镜面层55或返回极54，可降低nft温度以更好地热沉。
29.图7a是根据本发明的实施方案的hamr头的从gbs观察的视图，并且图7b是穿过x-y平面的剖视图，示出了侧屏蔽件之间的跨磁道间隙宽度。侧屏蔽件274a的在gbs处与波导端部73d相邻的部分之间的跨磁道间隙宽度g1和侧屏蔽件274b的在gbs处与nft尖端80相邻的部分之间的跨磁道间隙宽度g2可相同或不同，如图7a所示。例如，g2可为约300nm，g1可为约150nm。间隙宽度g1越窄，热梯度越高，但当间隙宽度减小时所需的激光功率和nft温度升高。最佳宽度g1在约100nm至300nm之间，以获得性能和可靠性的平衡。另外，波导端部73d可从gbs略微凹入，并且侧屏蔽件274a可与波导端部73d重叠，在这种情况下g1将小于波导端部73d的跨磁道宽度。
30.图7b还示出了侧屏蔽件274a和gbs之间的锥角θ1。锥角θ1优选地介于约10度和45度之间。当锥角θ1较大时，由于nft和侧屏蔽件之间的光学相互作用，nft的光学效率降低，并且nft的温度升高。为了减少nft和侧屏蔽件之间的相互作用，优选小角度θ1。然而，小角度θ1使得难以在制造期间精确地控制侧屏蔽件的跨磁道间隙宽度。为了解决这个问题，在侧屏蔽件和gbs之间可存在多个角度，如图8a所示，该图是穿过x-y平面的剖视图。例如，可增大波导端部附近的尖端处的第一角度θ1，并且侧屏蔽件和平行于gbs但从gbs凹入的平面之间的第二角度θ2可小于θ1。锥角也可渐变，从而使得侧屏蔽件在跨磁道方向上具有从gbs到从gbs凹入的区域的弯曲表面290，如图8b所示，该图是穿过x-y平面的剖视图。侧屏蔽件与波导端部相邻的部分的锥角θ1可不同于侧屏蔽件与nft相邻的部分的锥角。例如，侧屏蔽件与波导端部相邻的部分的锥角可为45度，并且侧屏蔽件与nft相邻的部分的锥角可为30度。
31.在图5b、图6b和图7a所描绘的实施方案中，侧屏蔽件平行于波导端部73d的跨磁道侧边缘。然而，侧屏蔽件可相对于波导端部73d的跨磁道侧边缘具有壁角α1，以便不平行于波导端部73d的跨磁道侧边缘，如图9所示。侧屏蔽件部分294a相对于波导端部73d的侧边缘的壁角α1可不同于侧屏蔽件部分294b相对于nft尖端80的侧面的壁角α2。在该实施方案中，壁角α1和α2为正，但α1或α2可为负，或α1和α2两者均可为负。
32.图10是用于叠瓦式磁记录(smr)的实施方案的gbs的视图。在smr中，写入新数据磁道以与先前写入磁道的部分重叠，使先前磁道更窄，从而允许更高的磁道密度。因此，在smr中，写入头的一侧写入数据磁道的随后被覆写的那部分，因此写入头的另一侧可被称为记录侧。nft尖端80的中心线与一侧上的波导端部73d和侧屏蔽件297之间的距离(d1)可小于中心线与另一侧上的侧屏蔽件298之间的距离(d2)。通过减小用于记录的一侧上的nft尖端80之间的距离d1，热梯度可增大，但nft温度升高。通过增加距离d2，可降低nft温度。作为smr的另选实施方案，可移除非记录侧上的侧屏蔽件，使得仅在用于记录的一侧上存在侧屏
蔽件。在图10中，nft尖端80具有顶壁角，该顶壁角是nft侧边缘与x-z平面所成的角度。上顶壁角，即最靠近主极端部52a的部分，可不同于下顶壁角，即最靠近波导端部73d的部分。对于smr，可使靠近侧屏蔽件297的侧面(记录侧)上的上顶壁角或下顶壁角或两者小于侧面298上的nft顶壁角。顶壁角越小，热梯度越高。小顶壁角还使得可以减小nft尖端80和侧屏蔽件297之间的距离，而不会增大nft和侧屏蔽件之间的光学相互作用。这使热梯度增大而不会降低光学效率。小顶壁角使nft温度升高，但如果小角度仅在用于记录的一侧上，则可使nft温度的升高最小化。
33.虽然已参考优选的实施方案具体示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下可在形式和细节上作出各种更改。因此，所公开的本发明被认为仅是示例性的，并且在范围上仅限于所附权利要求书中指定的范围。