技 術 解 説 GMRヘッド磁気特性評価装置 山本 雅一＊ GMR（巨大磁気抵抗効果）ヘッドは、コンピュータのハードディスクに搭載される磁気セ ンサであり、昨今の記憶密度の上昇に伴いセンサ内部が微細化される一方、高速で回転す るメディア上に配置されるために、高温に耐えるものでなければならない。さらには、高 密度のポイントのデータを取得するために高感度が要求されている。GMRヘッドは従来の MRヘッドと違い、高感度を実現するためにスピンバルブ型のGMRヘッドが主流となって いる。スピンバルブ型のGMRヘッドは、耐熱性の確保が困難であり、ヘッドメーカは耐熱 性にすぐれたヘッドの開発にしのぎを削っている。記憶密度が非常に短い周期で上昇して いく現在では、いかに早くデバイスの評価を行えるかが問題となる。 1. はじめに サスペンション 従来のGMRヘッドの評価試験ではエレクトロマイグレ スライダ ーション評価が行われており、高温環境下に設置したデバ イスに定電流ストレスを印加して抵抗変化のみを測定して いた。しかし、抵抗の変化はわずかであり、評価装置には 高精度な抵抗測定能力が要求される一方、測定した抵抗値 からGMRヘッドの磁気特性の劣化を正確に捉えることは 困難であった。今回ご紹介するGMRヘッド磁気特性評価 装置は、GMRヘッドの抵抗変化のみならず、GMRヘッド に磁気を印加し、その磁気特性を直接測定し、評価する装 電極 電極 置である。 反強磁性層 固定層（強磁性） Cu層（非磁性金属） フリー層（強磁性） 2. GMRヘッド 2-1 ハードディスクの構造 〈GMRヘッドリードセンサ部〉 ハードディスク、GMRヘッドの構造は、それぞれ図1， 図2 GMRヘッドの構造 図2のようになっている。 アームと呼ばれる腕の先端に、磁気センサ（GMRヘッド） を搭載したスライダが取り付けられている。スライダは、 ディスクに対して、非接触で読み書きの動作を行う。 2-2 GMRヘッドの動作原理 最新のハードディスク装置の読み出しヘッドの一つであ るスピンバルブ型GMRヘッドには、反強磁性体を利用し たGMRスピンバルブ膜が用いられている。スピンバルブ ディスク スライダ アーム 膜は、数ナノメートル程度の厚さの反強磁性層、強磁性層 （固定層）、Cu層、強磁性層（フリー層）から構成されて いる。この内、反強磁性層下部の強磁性層は、通常固定層 と呼ばれ、反強磁性層があるために、磁化の向きが固定さ れており、外部磁界に反応しにくくなっている。非磁性金 属であるCu層下部の強磁性層は、通常フリー層と呼ばれ、 外部の磁界の影響を受けやすい状態となっている。このフ リー層は、ディスク上の磁化の影響を受けて、磁化の向き 図1 ハードディスク構造 が変わる。磁化の向きが変わることにより、内部抵抗が大 きく変化して、ディスク上の情報を読み取ることができる。 ＊エレクトロニクス技術部 エスペック技術情報 No.29 この性質を示す膜をスピンバルブ膜と呼ぶ。 6 3. システム構成 3-1 システムの外観および主な仕様 3-2 システムブロック図 写真1にシステムの外観を、表1に主な仕様を示す。写真1の 図3に、システムブロック図を示す。10ch分のシステム システムでは、負荷ボックス毎に、温度・電流・磁場・試験 ブロックを表現している。集中管理用のパーソナルコンピ 時間の違う試験を最大60chまで同時に試験することができる ュータとは、G P - I B と R S - 4 8 5 のみで接続されており、容 システムとなっている。各負荷ボックスには、最大10個の 易に増設が可能な構成となっている。 GMRヘッドをテストボードに装着することができ、そのボー ドは負荷ボックスにワンタッチで取り付けることができる。 パーソナルコンピュータ RS-485 負荷ボックス 負荷ボックス 負荷電源 磁石制御基板 温度調節器 コントロールボックス テストエリア GP-ⅠB 制御CPU GP-ⅠB 計測CPU 電磁石 EM基板 ホットプレート ホール素子 テストボード RH基板 スキャナ基板 図3 システムブロック図 4. 試験方法 テストボード 負荷ボックス 写真1 システム外観 試験については、シーケンシャルプログラムを設定でき、 表1 主な仕様 100ステップまでの任意の設定をファイルとして保存して 項 目 電流出力範囲 定電流出力 抵抗測定 （50Ωにおいて） 電流出力精度 印加出力特性（以下RH特性）測定モード、電流ランプモ ード、エレクトロマイグレーション評価測定モードの各設 定を行うことができる。 0.1mA 測定値 ±2%（50Ω±1Ω） 測定では、GMRヘッドをホットプレートで加熱して所 1mA 測定値 ±0.2%（50Ω±0.1Ω） 定の温度にてコントロールした状態で、GMRヘッドのリ 電流モニタ範囲 DC±0.01∼DC±20.0mA ード端子に定電流を印加して抵抗値を測定すると共に、定 モニタ電流 ±50μA （0.1mA以上において） 電流コンパレータ範囲 DC±0.1∼DC±20.0mA 電流コンパレータ速度 50μs 電流コンパレート精度 発生磁場範囲 発生磁場精度 磁場測定 設定電流 ±5μA （0.1mA以上において） 設定・測定条件を設定できる。（図4）設定条件には、磁場 ±5Vを保証する 電流モニタ精度 発生磁場 DC±0.01∼DC±20.0mA おくことができる。各シーケンシャルステップでは、温度 最大出力電圧 出力電流モニタ 出力電流 コンパレータ 仕 様 モニタ電流 ± 100μA （0.1mA以上において） ±47400A／m［±600 Oe］ F.S±0.5%［±3 Oe］ 磁場測定範囲 ±47400A／m［±600 Oe］ 磁場測定精度 ±79A／m［±1 Oe］ GMRヘッド出力電 電圧測定範囲 圧測定（RH特性） 電圧測定精度 期的に磁場を印加してリード端子電圧をモニタする。 ±10ｍV ±8μV 使用温度範囲 30℃∼200℃ （使用環境：常温において） 温度調節幅 ±0.5℃ at 200℃ （制御ポイントでの温度制御幅） 図4 シーケンスプログラム設定画面 温度制御 7 温度分布 ±3.0℃ at 200℃ 昇温時間 30℃から150℃まで15分以内 冷却時間 150℃から30℃まで35分以内 ※測定環境常温（23℃） エスペック技術情報 No.29 4-1 試験設定詳細 シーケンスプログラムの各ステップに対して任意の測定 モードを設定可能である。各測定モードについて説明する。 ①RH特性測定モード（QST） ・GMRヘッドの出力特性を測定するモードである。RH 特性評価試験として、GMRヘッドのリード端子に定電 流を印加すると共に、磁場を印加（図5）してGMRヘ ッドの出力特性を測定する。測定結果は、RH特性グ ラフ（図9）として表現することができる。 ・任意のステップに設定が可能である。 ・任意の測定電流・印加磁場を設定できる。最大25サイ クルの繰り返し測定が可能である。 ③エレクトロマイグレーション評価測定モード（EM） ・GMRヘッドのエレクトロマイグレーション評価として 抵抗値を測定するモードである。エレクトロマイグレ ーション評価試験として、GMRヘッドのリード端子に ストレスとなる定電流を印加（図7）して抵抗値を測 定する。測定結果は、抵抗測定トレンドグラフ（図8） として表現することができる。 ・任意のステップに設定が可能である。 ・長時間のエレクトロマイグレーション評価用の測定モ ードである。 ・電流をストレスと印加すると共に、磁場を印加するこ とも可能である。 ・各種演算データを表示・保存することが可能である。 （演算データ項目例） ：出力振幅 Pk-Pk AMP（μV） ：非対称性 Pk-Pk ASYM（%） ・取得した演算データにより、寿命判断が容易になる。 図7 エレクトロマイグレーション評価測定モード設定画面 5. 測定結果 5-1 グラフ表示 抵抗測定結果およびRH特性測定結果は、グラフ表示す 図5 RH特性測定設定画面 ることができる。抵抗測定のトレンドグラフ（図8）および RH特性グラフ（図9） ・RH特性時系列変化率グラフ（図10） ②電流ランプモード（CR） ・GMRヘッドの印加電流依存特性を測定するモード である。 の例を以下に示す。 （1）抵抗測定トレンドグラフ GMRヘッドのリード端子の抵抗を、ストレス印加状 ・任意のステップに設定が可能である。 態にてシーケンスプログラムで設定した記録周期毎 ・最大20段階の任意の測定電流にて電流依存測定を行う に測定記録している。 ことが可能である。 ・最大で各チャンネル200ポイントのデータを取得でき るので、設定電流において複数回抵抗値を測定するこ とも可能である。 図6 電流ランプモード設定画面 エスペック技術情報 No.29 図8 抵抗測定トレンドグラフ例 8 5-2 測定データ間の比較 （2）RH特性グラフ シーケンスプログラムで設定されたタイミングにて、 GMRヘッドの出力電圧をモニタしたデータをX軸（磁 場）、Y軸（出力電圧）で表現する。一回の測定タイ ミングにおいて複数サイクルのRH特性測定を行うこ とができ、複数サイクルのデータを平均化して表示 エレクトロマイグレーション試験での抵抗測定における 初期からの変化率と、RH特性測定におけるデバイス出力 の出力電圧幅（Pk-PkAmp）の変化率の比較を表2に示す。 表2より、RH特性測定では、抵抗測定とは比較にならな いほどの変化率（劣化特性）の得られたことがわかる。 したり、すべての演算データを表示したりする機能 表2 抵抗測定データとRH特性データの変化率の比較 も有している。また、複数のタイミングのデータを 同時にプロットすることができる。図9は、試験開始 抵抗測定データ RH特性データ 時と試験終了直前のデータを同時にプロットしたも 初 期 43.993Ω 3683.509μV のである。 100時間 エージング後 44.017Ω最大（＋0.05％） 43.945Ω最小（−0.11％） 3373.339μV（−5.86％） 6. おわりに 今後もハードディスクの高密度化は進み、磁気ヘッド開 発周期も短縮化されていくと考えられる。この磁気ヘッド の開発に、本装置が少しでもお役に立てれば幸いである。 白色：試験開始時 青色：試験終了直前 図9 RH特性グラフ例 （3）RH特性時系列変化率グラフ 図10は、シーケンスプログラムで設定したタイミン グで測定された出力電圧から得られたRH特性演算デ ータの一例である。ストレス印加時間と出力振幅（最 大出力値と最長出力値の幅）の時系列変化率の関係 を表しており、時間の経過とともに出力振幅が小さ くなっていくのがわかる。 図10 RH特性時系列変化率グラフ例（Pk-PkAmp） 9 エスペック技術情報 No.29
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