Analysis of Wide Area Adjacent Track Erasure in Magnetic Write Heads using Magnetic Force Microscopy

Abstract

Wide area adjacent track erasure (WATEr) is one of significant problems limiting the performance of magnetic write heads. This problem leads to the stored data near and also far from a written track being erased. Typically, the presence of the WATEr problem in magnetic write heads is monitored using a spin-stand technique; however, it cannot accurately identify the sources and locations on the write heads that can cause the WATEr problem. In this thesis, a magnetic force microscopy (MFM) in a phase contrast mode was used to inspect and analyze the WATEr problem. Samples used in this study were perpendicular magnetic write heads with fully wrapped-around shield. During MFM imaging, the magnetic write head under test was energized by either DC or AC current. The induced out-of-plane magnetic field was then detected by scanning a MFM probe across the surface of the magnetic write head. The obtained MFM images were used to observe the location of magnetic flux leakages on the magnetic write heads which is the main cause of the WATEr problem. In addition, for the quantitative analysis, the MFM image was post-processed using image processing techniques into a WATEr profile similar to those results from a standard spin-stand technique. Experimental results showed that this technique not only can inspect the presence of the WATEr problem occurred in the magnetic write heads, but also can reveal its root causes. Based upon various samples, it can be concluded that the WATEr problem was resulted from two major sources: (1) the magnetic flux leakages either at the interface between two magnetic materials or at the defects on the write heads and (2) the field leakages at the main write pole when higher current was biased. In the last section, we utilized this technique to study the effect of annealing temperatures on the WATEr problem. Results revealed the benefit of the annealing temperature for reducing the WATEr problem.

การลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้าง เป็นปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งที่จำกัดประสิทธิภาพการทำงานของหัวเขียนแม่เหล็ก ปัญหานี้ทำให้ข้อมูลที่บันทึกอยู่ในบริเวณที่ใกล้หรือไกลจากแทร็คที่ทำการเขียนข้อมูลโดนลบ โดยปกติปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้างที่เกิดขึ้นในหัวเขียนแม่เหล็กจะตรวจสอบด้วยเทคนิคสปินสแตนด์ (spin-stand technique) อย่างไรก็ตามเทคนิคนี้ไม่สามารถระบุต้นตอและตำแหน่งบนหัวเขียนที่เกิดปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้างได้ ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้จึงใช้เทคนิคกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กในโหมดความต่างเฟส เพื่อตรวจสอบและวิเคราะห์ปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้างที่เกิดขึ้น โดยตัวอย่างหัวเขียนที่ใช้ในการศึกษานี้เป็นหัวเขียนแม่เหล็กแบบแนวตั้งฉากซึ่งมีชิลด์ล้อมรอบ ในระหว่างการตรวจวัดภาพสนามแม่เหล็ก จะจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงหรือกระแสสลับให้กับหัวเขียนแม่เหล็ก จากนั้นสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจะถูกวัดด้วยหัววัดของกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กซึ่งจะสแกนไปทั่วทั้งบริเวณพื้นผิวของหัวเขียนแม่เหล็ก ภาพสนามแม่เหล็กของหัวเขียนที่ได้จากการตรวจวัดสามารถใช้เพื่อสังเกตตำแหน่งของฟลักซ์แม่เหล็กรั่วไหลที่เกิดขึ้นบนหัวเขียนแม่เหล็ก ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเกิดปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้าง นอกจากนี้สำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงปริมาณ ภาพสนามแม่เหล็กของหัวเขียนที่ได้จากกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กจะถูกประมวลผลโดยใช้เทคนิคการการประมวลผลภาพให้เป็นผลการวิเคราะห์ปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้าง ซึ่งคล้ายกับผลการวิเคราะห์ที่ได้จากเทคนิคสปินสแตนด์ ผลการวิเคราะห์ที่ได้แสดงให้เห็นว่าเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แรงแม่เหล็กไม่เพียงแต่สามารถตรวจสอบปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้างที่เกิดขึ้นในหัวเขียนแม่เหล็ก แต่ยังสามารถบ่งบอกสาเหตุของการเกิดปัญหานี้ได้ จากการตรวจวัดตัวอย่างหัวเขียนหลายตัวอย่าง สามารถสรุปได้ว่าปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้างเกิดจาก 2 สาเหตุหลัก (1) การรั่วไหลของฟลักซ์แม่เหล็กรั่วไหลบริเวณส่วนเชื่อมต่อระหว่างวัสดุแม่เหล็กสองชนิดหรือบริเวณที่มีความบกพร่องบนหัวเขียน และ (2) การรั่วไหลของสนามแม่เหล็กบริเวณโพลหลักของหัวเขียน เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับหัวเขียนในปริมาณสูง ในส่วนสุดท้าย ผู้วิจัยใช้เทคนิคนี้เพื่อศึกษาผลของอุณหภูมิในการแอนนีลหัวเขียนต่อการเกิดปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้าง ผลการทดลองแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของการแอนนีลหัวเขียน เพื่อลดปัญหาการลบแทร็คข้างเคียงเป็นพื้นที่กว้าง