專利名稱：適用于磁性材料的超薄型保護(hù)涂層的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及適用于磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)部件的保護(hù)涂層。本發(fā)明尤其涉及適用于在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和/或檢索的磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的磁性材料的保護(hù)涂層，例如，包括磁性讀/寫的磁頭和磁盤。
許多技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了在各種設(shè)備制造中材料使用的需要。很顯然，在提高性能要求的同時(shí)，小型化已經(jīng)降低了容差的水平。此外，由于涂層可用于在保持下層基片所要求性能的同時(shí)改變物質(zhì)的表面特性，所以涂層技術(shù)已經(jīng)變得十分重要。特別是，薄的涂層能夠用于保護(hù)下層的基片避免各種沖擊。
磁性和光磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備一般作為讀和/或?qū)懙臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤和磁頭使用。在使用中，磁頭是“飛行”在磁盤上，而磁盤是高速旋轉(zhuǎn)著。讀/寫磁頭一般包括空氣軸承表面，它面對(duì)著磁盤表面。隨著磁盤的旋轉(zhuǎn)，磁盤沿著空氣軸承的表面拖曳著空氣。當(dāng)空氣沿著空氣軸承表面通過(guò)時(shí)，在磁盤表面和空氣軸承表面之間的空氣壓力就會(huì)產(chǎn)生流體升力，使得滑臂或磁頭能相對(duì)磁盤表面上升。流體升力和所對(duì)應(yīng)的飛行高度受到磁盤的旋轉(zhuǎn)速度，讀/寫磁頭的空氣軸承表面設(shè)計(jì)，以及通過(guò)支撐磁頭的平衡環(huán)組件對(duì)磁頭施加預(yù)負(fù)荷力的影響。
讀/寫磁頭一般采用磁性傳感器來(lái)讀和/或?qū)憗?lái)自磁性數(shù)據(jù)盤的數(shù)據(jù)。具有磁阻元件的磁頭也可以用于粗糙度的檢測(cè)，以在磁頭接觸了磁盤表面上的凹凸或缺陷后通過(guò)識(shí)別電阻的變化來(lái)識(shí)別旋轉(zhuǎn)磁盤表面的缺陷。如果檢測(cè)到不可接受的缺陷，則磁盤可以進(jìn)行平滑處理或報(bào)廢。相類似的，具有磁性傳感器的磁頭可以應(yīng)用于組合的磁-光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)中。
適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁盤驅(qū)動(dòng)器可以采用一種或多種適用于信息存儲(chǔ)的可磁化介質(zhì)的磁盤。磁性介質(zhì)一般由在非磁性基片上的相對(duì)薄的磁性層構(gòu)成的。通常是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在沿著同心的數(shù)據(jù)磁道的指定位置上。適用于磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁盤驅(qū)動(dòng)組件可包括對(duì)準(zhǔn)磁盤表面的磁頭平衡環(huán)組件。磁頭和平衡環(huán)組件支撐著傳感器，例如，磁阻元件，它可以用于從接近磁盤表面的數(shù)據(jù)磁道讀取數(shù)據(jù)和向其寫入數(shù)據(jù)。將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)的磁性介質(zhì)中。
在磁頭和磁盤表面之間間歇接觸會(huì)引起磁盤表面和磁頭的磨損。為了能保護(hù)磁盤的表面和/或磁頭免于磨損和腐蝕，可以在磁盤表面和/或磁頭表面的磁性介質(zhì)上覆蓋涂層。較佳的涂層能減少磨損，摩擦和氧化，同時(shí)在磁盤的旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中以及在磁頭的移出和停放的過(guò)程中能保持適當(dāng)?shù)牧黧w動(dòng)力的相互作用。保護(hù)涂層也能在加工和制造過(guò)程中保護(hù)磁頭。
為了能在磁盤表面上獲得較高的存儲(chǔ)密度，就降低讀/寫磁頭和磁盤表面之間的飛行高度。降低飛行高度能改善磁頭和磁盤表面之間的磁相互作用，以允許相對(duì)較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度。于是，重要的是保護(hù)涂層要足夠的薄，不至于顯著增加磁頭的磁性傳感器和接近磁盤表面的磁性材料之間的有效距離。
碳涂層已經(jīng)用于在基片上形成保護(hù)層。然而，涂層增加了在表面和下層基片之間的間距。因此，例如，在磁盤的生產(chǎn)過(guò)程中，由于飛行高度降低而引起的性能改善與保護(hù)性涂層的存在和類似引起磁性介質(zhì)和磁盤表面之間間距增加呈現(xiàn)出相反的效果。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明涉及包含磁性材料和保護(hù)磁性材料表面的裝置的磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。
在另一方面，本發(fā)明涉及由具有從含有金屬、半導(dǎo)體以及它們的混合物組中選擇的材料的涂層表面的磁性材料組成的磁盤驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)。涂層表面具有粘結(jié)在涂層表面上近似單層的富勒烯(fullerene)分子，它具有的鍵合強(qiáng)度比富勒烯-富勒烯的分子間的鍵合強(qiáng)度更強(qiáng)。
在另一方面，本發(fā)明涉及適用于磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中保護(hù)磁性材料表面的方法。該方法包括在磁性材料的表面上沉積近似單層的富勒烯分子。該表面是由從含有金屬、半導(dǎo)體以及其組合的組中選出的材料組成，且該表面基本上是沒(méi)有污染物的。
在另一方面，本發(fā)明涉及適用于磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中保護(hù)磁性材料表面的另一方法。該方法包括在不大于約1×10-7torr壓力的超高真空的條件下在磁性材料的表面上沉積富勒烯分子。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是具有富勒烯單層涂層的基片透視圖。
圖2是具有富勒烯單層涂層的基片截面示意圖。
圖3是具有粘結(jié)層和富勒烯單層涂層的截面示意圖。
圖4是磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的俯視示意圖。
圖5是具有富勒烯單層涂層的磁性寫磁頭的透視示意圖。
圖6是具有富勒烯單層涂層的磁性存儲(chǔ)磁盤的透視示意圖。
圖7是具有富勒烯單層涂層的磁性存儲(chǔ)磁盤的片斷側(cè)視圖。
圖8是具有富勒烯單層涂層的成形的磁性存儲(chǔ)磁盤的片斷側(cè)視圖。
說(shuō)明性實(shí)施例詳述可以在清潔的金屬或半導(dǎo)體基片表面上形成具有基本上為單層純化的富勒烯的超薄保護(hù)涂層，以使得富勒烯能牢固地鍵合在表面上。在上述保護(hù)性的富勒烯層中，重要的是表面要清除了氧化物和其它污染物，因?yàn)檠趸锖推渌愃莆镔|(zhì)的存在會(huì)妨礙富勒烯與表面的牢固鍵合。改進(jìn)的，牢固鍵合的富勒烯涂層適用于具有磁性材料的材料。單層富勒烯保護(hù)磁性材料避免由水蒸汽引起的侵蝕以及在提供充分潤(rùn)滑的同時(shí)避免磨損。這些涂層尤其適用于磁性和磁光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)部件的保護(hù)，特別是保護(hù)讀/寫磁頭和磁盤。
在磁性和光磁存儲(chǔ)技術(shù)中的改進(jìn)已經(jīng)減小了在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件之間的距離。特別是用于讀和/或?qū)懙拇蓬^的“飛行”非常接近于高速旋轉(zhuǎn)的磁性數(shù)據(jù)磁盤。由于在磁頭和磁盤之間只有很小的間距或由于在飛行高度上的不理想或波動(dòng)，所以在磁頭和磁盤之間會(huì)發(fā)生偶然的接觸。保護(hù)性的涂層和/或潤(rùn)滑一般都用于保護(hù)磁性材料避免接觸而引起的損壞。此外，選擇保護(hù)性涂層抑制基片表面的侵蝕，特別是抑制由水蒸汽引發(fā)的氧化和防止其它化學(xué)腐蝕。
為了能改善數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和提高數(shù)據(jù)的密度，用于磁性材料的保護(hù)涂層的厚度較佳能盡可能地小。本文所描述的單層富勒烯的涂層是非常薄的，也是十分耐用和穩(wěn)定的。富勒烯是碳籠形分子，特征在于它沿著分子表面具有五個(gè)和六個(gè)面環(huán)。熟知的富勒烯包括C60(勃克明斯特富勒烯(buckminsterfullerene))。較佳的富勒烯涂層包括厚度在約為5埃至約為10埃(大約0.5納米至大約1納米)范圍內(nèi)的近似單層富勒烯。
即使單層富勒烯的涂層是非常薄，也會(huì)在富勒烯和清潔的金屬或半導(dǎo)體基片之間形成牢固的鍵合，使得該涂層能提供長(zhǎng)久的保護(hù)作用。去除任何氧化物的基片表面的適當(dāng)清洗提供了對(duì)表面的牢固的鍵合。富勒烯與金屬和半導(dǎo)體的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生對(duì)基片表面的牢固鍵合。由于富勒烯一般都具有固有的化學(xué)穩(wěn)定性和惰性，因此最終的涂層也是穩(wěn)定的。此外，富勒烯是不能溶于水的，從而使得它們能防止水蒸汽與下層材料的接觸，以及對(duì)侵蝕提供優(yōu)良的防止作用。
為了使與金屬/半導(dǎo)體基片的鍵合達(dá)到所要求的程度，可以在沉積富勒烯之前清洗基片。在備選實(shí)施例中，在沉積富勒烯之前形成金屬/半導(dǎo)體表面，使得在富勒烯沉積之前基片保持清除氧化物和其它雜質(zhì)。此外，富勒烯應(yīng)該以非常純的方式來(lái)沉積，例如，采用富勒烯的純凈粉末制成的富勒烯提煉物。尤其重要的是在沉積過(guò)程中要確保不存在氧(例如，O2或水蒸汽)，因?yàn)榻饘?硅基片表面的氧化可能會(huì)影響到對(duì)基片表面的牢固鍵合。較佳的沉積方法將在下文中作全面的探討。
由于基片表面必須清洗并且去除氧化物，因此基片較佳地能在真空室中或其它沒(méi)有污染物、氧和水蒸汽的可控環(huán)境中進(jìn)行清洗。另外，基片的表面是在可控環(huán)境中形成的，使得所制成的該表面沒(méi)有氧化物和其它雜質(zhì)。在形成沒(méi)有雜質(zhì)的表面之后，沉積近似單層的富勒烯，較佳地在沒(méi)有將基片移出可控環(huán)境的條件下進(jìn)行。特別較佳在壓力不大于1×10-9torr的超高真空下進(jìn)行該項(xiàng)處理。一旦基片被富勒烯單層所涂覆，被涂覆的基片就可以移出可控環(huán)境，采用涂層來(lái)保護(hù)基片表面避免氧化和其它侵蝕。
富勒烯單層較佳地應(yīng)用于形成磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)部件上的磁性表面的磁性材料。磁性表面可以是磁頭的表面或其一部分。例如，磁性表面可以是磁頭，特別是讀/寫磁頭上的空氣軸承表面處的傳感器的表面。此外，磁性表面可以是用于磁性或光磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤的表面或其一部分。
用于磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的磁頭和介質(zhì)涂覆材料較佳包括具有金屬或半導(dǎo)體表面以及能直接將單層富勒烯牢固地鍵合在金屬或半導(dǎo)體表面上的基片。所適用的半導(dǎo)體基片材料包括，例如，硅。較佳的金屬可包括，例如，磁性金屬和合金。較佳地沒(méi)有會(huì)破壞富勒烯牢固鍵合的氧化物或其它雜質(zhì)。如果基片不能包括適當(dāng)?shù)谋砻嫖镔|(zhì)，以滿足形成牢固的富勒烯的鍵合，可以在基片的表面增加一層金屬或半導(dǎo)體的薄粘結(jié)層(例如，硅，)提供富勒烯對(duì)粘結(jié)層的牢固鍵合。在較佳的實(shí)施例中，基片包括適用于磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)目的的磁性材料。一般來(lái)說(shuō)，磁性材料對(duì)侵蝕是敏感的，特別是來(lái)自水蒸汽的侵蝕，因此，就要求有鈍化/保護(hù)的涂層。
用于讀/寫磁頭或光磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤的磁性材料是尤其要考慮的，因?yàn)樗鼈兙哂袊?yán)格的性能容差。特別是，分離讀/寫磁頭和旋轉(zhuǎn)磁盤表面的飛行高度逐漸減小。由于設(shè)計(jì)容差的減小，任何減小在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中的磁性材料之間的間距的方法對(duì)增加數(shù)據(jù)密度有用。于是，就十分需要減小厚度的有效鈍化涂層。
參照?qǐng)D1，涂層材料100包括基片102和富勒烯涂層104?；?02較佳地由金屬或半導(dǎo)體制成，使得在基片和富勒烯之間形成牢固的鍵合。在較佳的實(shí)施例中，基片102包括在其表面的磁性材料。表面處的磁性材料可以直接在表面上或靠近一層或多層薄涂層(例如，粘結(jié)層)下的表面。參照?qǐng)D2的剖面示意圖，富勒烯涂層104較佳是近似單層富勒烯。在圖3所示的備選實(shí)施例中，涂覆的材料110包括基片112，粘結(jié)層114和富勒烯涂層116。粘結(jié)層114較佳地是金屬或半導(dǎo)體材料，它能與富勒烯單層和下層基片形成牢固的鍵合。
涂覆的基片在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的部件的制造中特別有用。特別是，富勒烯涂層可以用于涂覆磁性讀/寫磁頭，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤以及它們的一部分。相似地，富勒烯保護(hù)涂層可以用于涂覆具有磁阻元件的粗糙度檢測(cè)磁頭和光磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的部件。
在一些實(shí)施例中，富勒烯涂層應(yīng)用在磁性材料上。多種磁性材料可以用于磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用并在持續(xù)改進(jìn)。磁性材料可以是金屬或合金。在整個(gè)材料中允許存在著微量雜質(zhì)，只要它們不會(huì)明顯地改變金屬的鍵合性能，特別是在金屬的表面。
磁性材料的選擇也取決于特殊的用途和性能參數(shù)。對(duì)于磁頭來(lái)說(shuō)，適用的鐵磁體材料包括，例如，Ni，Co，NiFe，CoZrNb，NiFeCr，AlSiFe，NiFeRe，以及它們的化合物和合金。對(duì)于磁盤來(lái)說(shuō)，適用的磁性材料包括金屬，例如，鈷和鈷的合金，即，Co-Ni，Co-Cr，Co-Ni-Fe，Co-Ni-Cr，Co-Pt，Co-Ni-Pt，Co-Cr-Ta，Co-Cr-Pt，Co-Cr-Ni-B，Co-P，Co-Ni-P，其它類似的材料，它們的化合物和合金?？捎糜谧x/寫磁頭的其它金屬和合金包括，例如，PtMn，Cu，Ru，Rh，Ta，CoPt，CoCuPt，Au，以及類似材料。
光磁磁盤可以包括具有一層或多層鐵磁體合金的磁性層。對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，較佳的鐵磁體合金是由一種或多種稀土元素和一種或多種過(guò)渡金屬制成的。適用的鐵磁體合金的例子包括，例如，TbFeCo，GdFeCo，TbFeCoZr，DyFeCo，以及GdDyFeCo。可以選擇合金的特殊成份，以獲得所要求的居里溫度和磁性矯頑性。
在一些實(shí)施例中，鐵磁體合金具有通過(guò)將相對(duì)較強(qiáng)的激光光束照射在鐵磁體合金所能達(dá)到的居里溫度。相似地，居里溫度應(yīng)該明顯地高于磁盤驅(qū)動(dòng)器的工作溫度，使得熱效應(yīng)不致于引起數(shù)據(jù)丟失。居里溫度合理范圍從約250℃至約350℃，并且較佳接近300℃。
圖4描述了磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)200的實(shí)施例，該系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)單元202，傳動(dòng)器組件204，和控制器206。驅(qū)動(dòng)單元202包括磁盤208和連接著主軸電機(jī)的主軸210。在所示的實(shí)施例中，傳動(dòng)器組件204包括傳動(dòng)器212，支撐臂214，負(fù)載樑216和平衡環(huán)/磁頭部件218。傳動(dòng)器組件204通過(guò)旋轉(zhuǎn)或側(cè)向運(yùn)動(dòng)支撐臂214來(lái)控制著平衡環(huán)/磁頭組件218在磁盤208上的位置。負(fù)載樑216定位在支撐臂214的一端，而平衡環(huán)/磁頭組件218則定位在負(fù)載樑216的一端?？刂破?06指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)212關(guān)于支撐臂214在磁盤208上的位置以及驅(qū)動(dòng)單元202關(guān)于主軸電機(jī)的控制。
在較佳的實(shí)施例中，富勒烯涂層應(yīng)用于磁頭218或磁盤208的表面或其中一部分。磁頭218可以是，例如，讀取磁頭，讀/寫磁頭或用于粗糙度檢測(cè)的滑動(dòng)磁頭。已經(jīng)采用和繼續(xù)開(kāi)發(fā)了多種適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的磁頭和它們所對(duì)應(yīng)的磁性傳感器的設(shè)計(jì)。這里所討論的富勒烯涂層可以用于這些磁頭且通常與精密磁頭的設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。
讀/寫磁頭的實(shí)施例如圖5所示。磁頭250包括滑臂主體252和后緣結(jié)構(gòu)254。傳感器通常是定位在后緣結(jié)構(gòu)254中。磁頭250的一個(gè)表面是空氣軸承表面256，它定位在磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤的附近?？諝廨S承表面256一般與導(dǎo)軌以及類似裝置是等高的，以便于當(dāng)磁頭在鄰近高速旋轉(zhuǎn)的磁盤表面上飛行時(shí)能提供所要求的空氣動(dòng)力學(xué)性能。
在圖5所示的實(shí)施例中，磁頭包括沿著后緣結(jié)構(gòu)254內(nèi)的兩個(gè)導(dǎo)軌258和260定位在空氣軸承表面256上的多個(gè)磁性傳感器。特別是，每個(gè)導(dǎo)軌258和260都包括寫入傳感器262，讀取傳感器264，共用的電極266以及較低磁致電阻屏蔽268。一般來(lái)說(shuō)，磁性傳感器262，264，266，268是由磁致電阻金屬(例如，鈷和鈷合金)制成的。磁性傳感器262，264，266，268都定位在接近后緣的空氣軸承表面上，使得它們?cè)谑褂弥心芊浅＝咏疟P表面飛行。
在常規(guī)的磁頭中，空氣軸承表面是由保護(hù)性涂層來(lái)覆蓋的，例如，類金剛石碳。類金剛石碳涂層一般具有20至50埃(2至5納米)的范圍內(nèi)的厚度。作為類金剛石涂層的備選，這里所討論的富勒烯涂層可以涂覆在整個(gè)空氣軸承表面或其中一部分。特別是，單層富勒烯涂層形成對(duì)傳感器262，264，266，和268的磁性材料的金屬牢固的鍵合。單層富勒烯可以涂覆在整個(gè)空氣軸承表面上，僅僅涂覆在傳感器的表面上或空氣軸承表面的其它部分?？梢圆捎谜辰Y(jié)層來(lái)提供傳感器以外的空氣軸承表面，以便于與富勒烯的鍵合。適用于空氣軸承表面的粘結(jié)層包括薄硅層，該硅層的厚度約為10埃至15埃。
在其它較佳的實(shí)施例中，磁性存儲(chǔ)磁盤或光磁磁盤可具有富勒烯涂層。參照?qǐng)D6，磁盤300包括富勒烯涂層302。多種數(shù)據(jù)磁盤結(jié)構(gòu)應(yīng)符合這里所討論的富勒烯涂層的使用。在圖7所示的一個(gè)實(shí)施例中，基礎(chǔ)基片304具有磁性層306，該磁性層可以包括以上所述的磁性材料。在較佳的實(shí)施例中，單層富勒烯308可以涂覆在磁性層306上。富勒烯單層可以替代保護(hù)涂層和/或潤(rùn)滑層。
富勒烯單層應(yīng)該與磁盤表面的輪廓包括尖銳的輪廓相一致，如圖8所示。特別是，富勒烯單層應(yīng)與成形的介質(zhì)相一致。參照?qǐng)D8，富勒烯單層320定位在磁盤326的磁性材料的成形的表面322上。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤的表面可以有選擇性的進(jìn)一步包括在富勒烯保護(hù)層上的潤(rùn)滑層。適用的潤(rùn)滑層包括聚合物，例如，諸如氟化聚醚或其衍生物之類的氟化聚合物。適用的氟化聚醚的聚合物包括，例如，F(xiàn)omblinZ-60(平均分子量(AMW)＝約60,000原子量單位(AMU)或道爾頓)，F(xiàn)omblinZ-25(AMW＝約25,000AMU)，以及FomblinZ-15(AMW＝約15,000AMU)。意大利米蘭Montedison(Ausimont)S.P.A.公司出品的Fomblin氟化聚醚具有分子式為
CF3O(CF2CF2O)n(CF2O)mCF3式中可以變化n和m，以生產(chǎn)出具有規(guī)定數(shù)值的平均分子量的特定產(chǎn)品。
在特別較佳的實(shí)施例中，磁頭表面和磁盤表面都具有富勒烯單層。由于減弱了富勒烯單層之間的相互作用，所以富勒烯涂覆的磁頭就不會(huì)牢固地粘合在富勒烯涂覆的磁盤上。尤其對(duì)于這些實(shí)施例來(lái)說(shuō)，磁盤表面就不需要潤(rùn)滑層來(lái)獲得所需要的摩擦性能。
富勒烯涂層的特性在近似單層的富勒烯與金屬或半導(dǎo)體表面之間的牢固鍵合可在上述的改進(jìn)涂層的形成來(lái)闡明。重要是這些改進(jìn)的富勒烯單層是在非常清潔的表面上形成的形成方法，因?yàn)殡s質(zhì)會(huì)破壞在富勒烯和金屬或半導(dǎo)體材料之間鍵合的牢固程度。所要求的涂層對(duì)下層金屬/半導(dǎo)體具有非常牢固的粘結(jié)，防止侵蝕并提供合理的摩擦特性。
富勒烯是具有開(kāi)放的籠形結(jié)構(gòu)的碳簇分子，碳的原子在它的分子表面形成了五個(gè)或六個(gè)有邊的多邊形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可聯(lián)想到足球的結(jié)構(gòu)。研究最多的富勒烯是C60，勃克明斯特富勒烯。其它已知的富勒烯包括，例如，C70，C80，和C84。富勒烯一般都包括上述的富勒烯以及它們的組合，且通常對(duì)形成這里所述的涂層都有用。
富勒烯對(duì)金屬或半導(dǎo)體表面形成的鍵合比對(duì)其他富勒烯形成的鍵合更牢固。于是，較佳形成約為一個(gè)單層富勒烯的富勒烯涂層。如果所應(yīng)用的涂層比單層稍微薄些，則涂層的特性不會(huì)受到明顯的影響，盡管如果涂層明顯地小于表面的單層部分可能會(huì)更容易被侵蝕和磨損。同樣，在單層上少量的富勒烯不應(yīng)影響性能，雖然并不需要比單層明顯多的量來(lái)增加與磁頭的間距和相應(yīng)減小磁信號(hào)。
就普遍性而論，近似單層的富勒烯試圖包括近似單層特性的性能特性的富勒烯涂層。單層富勒烯分子一般都擠進(jìn)在表面上的兩維晶體結(jié)構(gòu)中。單層無(wú)論在何處都是單個(gè)富勒烯分子的厚度。當(dāng)然，在單層中具有較少晶格缺陷的富勒烯涂層不會(huì)改變富勒烯層所要求的特性，且被認(rèn)為近似單層。在金屬/半導(dǎo)體基片和富勒烯單層之間牢固鍵合的形成已由Hamza等人在“Reaction and passivation ofaluminum with C60”，Surface Science，318，(1994)一文中第368-378頁(yè)作了進(jìn)一步的描述，此文引入這里作為參考。
由于富勒烯不能對(duì)電絕緣體形成牢固的鍵合，所以金屬或半導(dǎo)體表面的氧化大大地降低了鍵合的強(qiáng)度以及相應(yīng)顯著地減小富勒烯涂層的有效性。由于裸露的金屬表面非常容易被氧化，就需要作適當(dāng)?shù)募庸ぴ诟焕障┨砑又爸苽浜脹](méi)有任何氧化物的清潔表面。這將在下文中作進(jìn)一步的討論。其它雜質(zhì)會(huì)同樣破壞在富勒烯單層和金屬/半導(dǎo)體基片之間的鍵合強(qiáng)度。
先前對(duì)于形成富勒烯涂層作為用于磁性磁盤驅(qū)動(dòng)部件的保護(hù)層的嘗試未能利用富勒烯和金屬/半導(dǎo)體基片之間牢固鍵合。特別是，如果基片的表面已經(jīng)氧化，即使氧化的程度比較低，但是表面的電絕緣特性妨礙了牢固的富勒烯鍵合。雖然少量的表面氧化不會(huì)影響磁性特性，但是這類表面氧化會(huì)明顯地影響對(duì)富勒烯的鍵合。
特別是，Buthune等人的美國(guó)專利5374463(下文簡(jiǎn)稱之’463專利)題為“Magnetic Recording Disk Having a Contiguous Fullerene Film And a ProtectiveOvercoat”描述了富勒烯在磁性材料上的沉積，它引入這里作為參考。正如’463專利所述，在富勒烯沉積之前沒(méi)有清潔的磁盤表面不會(huì)對(duì)表面具有所要求的牢固鍵合。特別是，較厚的富勒烯層可以比較薄的富勒烯層具有更好的磨損阻力。這與富勒烯對(duì)金屬/半導(dǎo)體基片比對(duì)其它富勒烯分子具有更強(qiáng)的鍵合是矛盾的。這種現(xiàn)象的解釋就是磁盤的表面含有諸如氧化物的雜質(zhì)。
這樣，在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，該結(jié)構(gòu)是由清潔的金屬/半導(dǎo)體表面牢固地鍵合在近似單層富勒烯的富勒烯涂層所形成的。由于在這些實(shí)施例中不存在著抑制性雜質(zhì)，所以可以直接對(duì)金屬/半導(dǎo)體上形成富勒烯的鍵合，它類似于金屬配位基鍵合。于是，與富勒烯分子可以得到牢固的鍵合，它超過(guò)了富勒烯-富勒烯鍵合的強(qiáng)度。
富勒烯對(duì)表面(或鄰近多層富勒烯涂層中的富勒烯)的鍵合強(qiáng)度可由富勒烯與表面相脫附所處的溫度來(lái)估計(jì)。脫附溫度與富勒烯分子和表面之間的鍵合強(qiáng)度有關(guān)。如果鍵合強(qiáng)度越高，則脫附的溫度也越高。對(duì)一些表面來(lái)說(shuō)，表面和富勒烯可以在低于脫附溫度的溫度上發(fā)生反應(yīng)。隨后，這種反應(yīng)溫度對(duì)鍵合強(qiáng)度提供了下限。
對(duì)在表面上的多層富勒烯分子而言，指示富勒烯-富勒烯分子間的鍵合強(qiáng)度的富勒烯脫附溫度在500K和570K之間。于是，富勒烯一表面的相互作用強(qiáng)于富勒烯-富勒烯的相互作用，這使得富勒烯脫附溫度高與570K。在較佳的實(shí)施例中，單層的富勒烯脫附溫度較佳地至少達(dá)到625K，更佳地至少達(dá)到700K，最佳地至少約為725K。富勒烯-金屬/半導(dǎo)體的鍵合強(qiáng)度可以至少約為35千卡/摩爾(kcal/mo1)，至少約為40kcal/mol，以及甚至于至少約為44kcal/mol。富勒烯涂層的穩(wěn)定性通常與鍵合強(qiáng)度(脫附溫度)的數(shù)值呈非線性關(guān)系，即，例如，在鍵合強(qiáng)度以kcal/mol提高約10％至30％可明顯地增加涂層的穩(wěn)定性。
富勒烯對(duì)金屬/半導(dǎo)體鍵合的高強(qiáng)度產(chǎn)生耐用的和穩(wěn)定的保護(hù)涂層。富勒烯不溶于水，使得富勒烯單層可有效地隔離下層金屬(例如，磁性金屬/合金)免于水蒸汽的侵蝕。通過(guò)將水蒸汽與基片的隔離，保護(hù)表面免受氧化。富勒烯對(duì)于多種普通化合物也是具有化學(xué)惰性的。于是，富勒烯單層也保護(hù)表面免受其它污染物。
碳材料長(zhǎng)期用作為磁盤驅(qū)動(dòng)器的表面涂層以提高它們的保護(hù)能力，同時(shí)同樣改善了磁盤-磁頭界面的摩擦特性。已知各種碳材料能提供期望的潤(rùn)滑特性。在富勒烯層上設(shè)置薄聚合物層作為潤(rùn)滑時(shí)，富勒烯單層本身就應(yīng)該提供足夠的潤(rùn)滑特性，這就不再需要另外的涂層。于是，牢固鍵合的富勒烯單層提供了優(yōu)異的保護(hù)和潤(rùn)滑特性，同時(shí)僅僅只在厚度上增加了約5埃至約10埃(約0.5納米至約1.0納米)。
沉積較佳的富勒烯涂層的方法在較佳的實(shí)施例中，富勒烯單層涂層能牢固地鍵合在金屬/半導(dǎo)體表面。為了能形成牢固的富勒烯-表面的鍵合，通常表面基本上是沒(méi)有雜質(zhì)的。為了確保表面沒(méi)有雜質(zhì)，富勒烯涂層一般是在可控環(huán)境中進(jìn)行的。同樣，清潔的基片表面也可通過(guò)在可控環(huán)境中清潔基片或通過(guò)在可控環(huán)境中形成基片表面來(lái)形成。
可提供的可控環(huán)境，例如，通過(guò)真空室，較佳為超高真空室，或備選氣體密封室。在真空室中，可以通過(guò)在由泵保持低壓工作方式來(lái)去除氣體的雜質(zhì)。在其他氣體密封室中，可以通過(guò)以合適的惰性氣體(例如，氬氣)來(lái)置換室內(nèi)氣體去除氣體的雜質(zhì)。特別是，在可控環(huán)境中的氣體最好基本上沒(méi)有水蒸汽和O2。適用的腔室可用于當(dāng)前加工工藝的商業(yè)應(yīng)用。
有關(guān)表面的制備，至少表面制備的最后步驟一般應(yīng)該在可控環(huán)境中進(jìn)行，其中進(jìn)行富勒烯的沉積。隨后，為了富勒烯鍵合將表面適當(dāng)?shù)刂苽錇槲幢晃廴镜谋砻?。在富勒烯沉積之前的最后表面制備步驟可以是表面清洗或表面沉積。
表面清洗一般會(huì)涉及材料精細(xì)層的去除，以去除任何氧化物，其它表面的改性和其它表面污染物。特別是，可以通過(guò)諸如在約0.1keV至約10keV的Ar+濺射或電子轟擊來(lái)進(jìn)行表面的清潔?？梢酝ㄟ^(guò)在清洗之后加熱基片對(duì)基片退火，以確保平滑均勻的表面。另外，也可以采用拋光步驟來(lái)清潔表面。然而，如果進(jìn)行拋光，可以選用任何一種拋光物質(zhì)，但拋光本身不能引入不適當(dāng)?shù)牡奈廴疚?。例如，不含溶劑或含有非水性溶劑的陶瓷顆?？梢允呛线m的拋光物質(zhì)。
作為表面清潔的方法的備選，可在可控環(huán)境中制備表面。在這些實(shí)施例中，至少最后的沉積步驟是在可控環(huán)境中進(jìn)行的，以沉積沒(méi)有污染的最終的表面材料。如果需要的話，在富勒烯沉積之前，可以在同樣的可控環(huán)境中進(jìn)行多種表面制備的步驟。例如，后緣結(jié)構(gòu)(圖5中的254)的整個(gè)制造可以在可控環(huán)境中進(jìn)行。另外，等高空氣軸承表面和/或一個(gè)或多個(gè)拋光的過(guò)程都可以在可控環(huán)境中進(jìn)行。
如果應(yīng)用粘結(jié)層，該粘結(jié)層用作基片表面。于是，粘結(jié)層的應(yīng)用可以是出于結(jié)構(gòu)上的考慮，也可以是工藝的處理。特別是，如果使用粘結(jié)層，它可以在富勒烯沉積之前清潔，或者在可控環(huán)境中沉積粘結(jié)層。換句話說(shuō)，可與該結(jié)構(gòu)中的任何其它表面層等效處理粘接層。在一些實(shí)施例中，粘結(jié)層應(yīng)用在部分基片上。例如，粘結(jié)層可以添加在磁頭的空氣軸承的表面，使得富勒烯能牢固地鍵合在整個(gè)空氣軸承的表面而不僅僅只是傳感器。
富勒烯的商業(yè)應(yīng)用來(lái)自于SES研究中心(Houston，TX)。另外，也有一些合成富勒烯的熟知方法。例如，在惰性氣體環(huán)境(例如，在150torr的He)中石墨的弧加熱會(huì)產(chǎn)生碳簇，從中采用熱甲苯提取出富勒烯。富勒烯可以采用富勒烯組織分散的柱色譜作進(jìn)一步的純化，例如，采用二氧化硅或氧化鋁柱來(lái)產(chǎn)生純化的富勒烯。
適用的真空室包括較佳地在不大于約1×10-7torr壓力下工作的超高真空室。在一些實(shí)施例中，真空室是在低于約2×10-8torr壓力下工作的，而在另外一些實(shí)施例中，真空室是在低于約2×10-10torr壓力下工作的。在這樣低的壓力下，不存在足以污染表面的氣體污染物，例如，水和O2。于是，可以在沒(méi)有來(lái)自氣體污染物再污染的條件下進(jìn)行制備金屬/半導(dǎo)體表面的表面步驟。
在一些實(shí)施例中，富勒烯是采用升華的方法沉積的。在低壓下加熱富勒烯，較佳地低于約1×10-6torr壓力，加熱到大于約450℃的溫度，從富勒烯的粉末中產(chǎn)生富勒烯的升華。較佳的升華溫度較佳是在約450℃至約550℃的范圍內(nèi)。如果表面是清潔的以及周圍氣體是惰性的，則富勒烯的升華就不需要在低壓下進(jìn)行，但升華的溫度可以稍微高一些。富勒烯粉末可以首先在較低溫度下加熱，較佳約200℃至約350℃的溫度范圍內(nèi)，以去除任何殘余的溶劑和其它雜質(zhì)?；梢允艿礁焕障┎牧系谋Ｗo(hù)，直到富勒烯材料被加熱到富勒烯的升華溫度。較佳地，富勒烯的升華在壓力低于約1×10-8torr的超高真空下進(jìn)行。
為了采用升華的富勒烯進(jìn)行涂覆，加熱的富勒烯可以設(shè)置在多孔滲水的容器或管子中。隨后，設(shè)置基片的表面使之接受來(lái)自升華容器的富勒烯蒸汽。如果基片的表面溫度是低于富勒烯的升華溫度，富勒烯就冷凝在基片的表面上且對(duì)表面形成期望的鍵合。如果需要，基片可以合適的速率掃過(guò)富勒烯的源。沉積的時(shí)間和形狀可以由經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，以在基片表面上產(chǎn)生期望的單層富勒烯。
由于富勒烯牢固地鍵合在清潔的金屬/半導(dǎo)體表面上，所以在沉積富勒烯之后可以通過(guò)對(duì)材料加熱選擇性地去除單層以外任何多余的富勒烯。特別是，材料被充分地加熱，以在不破壞富勒烯單層的條件下中斷富勒烯一富勒烯的鍵合。單層以外多余富勒烯的破壞一般包括以約225℃至約300℃溫度加熱。
一旦完成了涂層，基片就可以移出可控環(huán)境。富勒烯涂層本身就保護(hù)了表面免于后續(xù)的沖擊。隨后，含有涂覆的基片的部件可以進(jìn)行裝配，或者進(jìn)行其它的處理以形成完整的磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)產(chǎn)品。
雖然已經(jīng)參照較佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是在本領(lǐng)域的技術(shù)人員都會(huì)意識(shí)到可以不脫離本發(fā)明的主旨和范圍在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1.一種磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于包括磁性材料和保護(hù)磁性材料表面的裝置。
2.一種磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于包括具有從金屬、半導(dǎo)體以及它們混合物組成的組中選擇的材料的涂層表面的磁性材料，其中，涂層表面具有近似單層的富勒烯分子，它鍵合在涂層表面，其鍵合強(qiáng)度強(qiáng)于富勒烯-富勒烯分子間的鍵合強(qiáng)度。
3.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于磁性材料包括鈷金屬或鈷合金。
4.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于磁性材料包括從Co-Ni，Co-Cr，Co-Ni-Cr，Co-Pt，Co-Ni-Pt，Co-Cr-Ta，Co-Cr-Pt，Co-Cr-Ni-B，Co-P，Co-Ni-P，它們的混合物，和它們的合金組成的組中選擇的金屬物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于富勒烯分子鍵合于涂層的表面，其具有的鍵合強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于富勒烯從單層上脫附的溫度，至少約700K。
6.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于富勒烯包括C60。
7.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于包括磁頭，以及其中磁性材料定位于磁頭表面。
8.如權(quán)利要求7所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于磁性材料形成傳感器，以及其中磁性材料包括鈷或鈷合金。
9.如權(quán)利要求7所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于富勒烯分子鍵合在磁頭的整個(gè)空氣軸承的表面上。
10.如權(quán)利要求7所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于富勒烯分子只沿著空氣軸承表面與磁性材料相鍵合。
11.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于包括磁盤，以及其中磁性材料定位于磁盤的表面。
12.如權(quán)利要求11所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于磁盤的表面是成形的。
13.如權(quán)利要求11所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于近似單層的富勒烯覆蓋著部分磁盤表面。
14.如權(quán)利要求2所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于包括磁頭和磁盤，其中磁性材料定位于磁頭的表面，而其中第二磁性材料定位于磁盤的表面。
15.如權(quán)利要求14所述磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于磁盤的表面沒(méi)有潤(rùn)滑劑。
16.一種在磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中保護(hù)磁性材料表面的方法，其特征在于該方法包括在磁性材料的表面沉積近似單層的富勒烯分子，其中該表面包括從金屬、半導(dǎo)體和它們化合物組成的組中選擇的材料，以及其中該表面實(shí)質(zhì)沒(méi)有污染物。
17.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于進(jìn)一步包括在進(jìn)行沉積之前磁性材料的表面沒(méi)有氧化物。
18.如權(quán)利要求17所述方法，其特征在于沒(méi)有氧化物表面的形成是通過(guò)在可控環(huán)境中清洗表面來(lái)進(jìn)行的，以去除任何氧化物。
19.如權(quán)利要求18所述方法，其特征在于通過(guò)離子濺射進(jìn)行清洗。
20.如權(quán)利要求17所述方法，其特征在于沒(méi)有氧化物表面的形成是通過(guò)在不能形成氧化物的條件下的可控環(huán)境中沉積表面來(lái)進(jìn)行的。
21.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于富勒烯的沉積是在壓力不大于約1×10-7torr的超高真空下進(jìn)行的。
22.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于在壓力不大于約1×10-9torr的超高真空下進(jìn)行富勒烯的沉積。
23.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于在富勒烯的沉積之后，富勒烯鍵合在磁性材料的表面，其鍵合強(qiáng)度強(qiáng)于在富勒烯之間的相互分子的鍵合強(qiáng)度。
24.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于富勒烯的沉積包括升華富勒烯。
25.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于磁性材料的表面位于磁頭表面上。
26.如權(quán)利要求16所述方法，其特征在于磁性材料的表面位于磁盤表面上。
27.一種在磁盤驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中保護(hù)磁性材料表面的方法，其特征在于該方法包括在壓力不大于約1×10-7torr的超高真空的條件下在磁性材料的表面沉積富勒烯分子。
28.如權(quán)利要求27所述方法，其特征在于在沉積富勒烯分子之前磁性材料的表面是沒(méi)有污染物的。
29.如權(quán)利要求27所述方法，其特征在于通過(guò)升華富勒烯來(lái)沉積富勒烯分子。
30.如權(quán)利要求27所述方法，其特征在于富勒烯是近似單層的。
全文摘要
改進(jìn)的磁性介質(zhì)(100，110)具有金屬或半導(dǎo)體的表面(102，114)，其中磁性介質(zhì)的表面具有鍵合在金屬或半導(dǎo)體表面的近似單層的富勒烯分子(104，116)。在富勒烯分子和表面之間的鍵合強(qiáng)度強(qiáng)于富勒烯—富勒烯相互分子間的鍵合強(qiáng)度。磁性介質(zhì)可以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(200)的部件制造中，尤其用于具有磁性傳感器的磁頭(218，250)和磁或光磁磁盤(208，300，326)。在形成富勒烯涂層的方法中，近似單層富勒烯分子沉積在幾乎沒(méi)有污染物的金屬或半導(dǎo)體表面上。
文檔編號(hào)G11B5/60GK1522435SQ01811245
公開(kāi)日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2001年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月14日
發(fā)明者J·W·戴克斯, J W 戴克斯, J·W·赫恩, 赫恩, J·E·安杰絡(luò), 安杰絡(luò), W·D·莫斯利, 莫斯利 申請(qǐng)人:西加特技術(shù)有限責(zé)任公司