專利名稱：制備超薄保護涂層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于物件的保護涂層，具體涉及存儲和/或檢索數(shù)據(jù)用的磁盤驅動系統(tǒng)中部件的保護涂層，該部件包括例如讀/寫磁頭和存儲磁盤。
背景技術：
許多技術中的進步已經對各種器件生產中所用的材料提出了很高要求。尤其在提高性能要求的同時，小型化降低了可允許的偏差。涂覆技術已經變得極重要，因為涂層在保持下面基底所需性能的同時，可以用來改變組合物的表面性能。特別是，薄的涂層可以用來保護下面的基底，免受各種侵害。
旋轉的磁、光和光磁數(shù)據(jù)存儲器件使用數(shù)據(jù)存儲磁片，帶有固定在空氣動力滑觸頭上的磁頭，從磁盤讀取數(shù)據(jù)和/或寫入數(shù)據(jù)?；|頭有著面對磁盤表面的空氣軸承表面。在使用時，滑觸頭以一預定的距離“浮動”在飛速旋轉的磁盤上面。
數(shù)據(jù)存儲磁盤驅動器可以使用一片或多片具有信息存儲介質的磁盤。在磁盤或磁光盤驅動器中，所述介質包括在一非磁性基底上較薄的磁層。數(shù)據(jù)存儲于沿同心數(shù)據(jù)磁道的一些特定位置上，通常在數(shù)據(jù)存儲區(qū)域內。
滑觸頭和磁盤表面之間的間歇接觸會導致磁盤表面和滑觸頭的磨損。為了保護磁盤表面和/或滑觸頭免于磨損和腐蝕，在磁盤表面和/或滑觸頭表面包括磁頭的磁性介質上涂上保護層。優(yōu)選的保護層能降低滑觸頭和磁盤的磨損、摩擦和氧化，同時能保持在旋轉期間以及在開始和停止旋轉時，滑觸頭和磁盤表面之間空氣動力的相互作用。在加工和制造過程中，也在磁頭和滑觸頭上使用保護層來保護磁頭。
為了在磁盤表面獲得更高的存儲密度，正日益減小讀/寫磁頭和磁盤表面之間的浮動高度。例如，對于高密度磁盤驅動器來說，要求浮動高度小到大約10納米(nm)并不鮮見。減小浮動高度能提高磁頭和磁盤表面之間的磁性相互作用，結果能相應地達到更高的數(shù)據(jù)存儲密度。因此，保護涂層要足夠薄，以免過分增大磁頭的磁性轉換器和接近磁盤表面的磁性材料之間的有效距離。因此，當要求浮動高度為10nm時，保護涂層應該很薄，宜不大于1nm。
在基底上已經使用碳涂層來形成保護層。但是這種涂層增大了表面和下面基底之間的距離。因此，例如在生產磁盤中，保護涂層等的存在所導致的磁頭和磁性介質之間距離增大的作用會抵消減小浮動高度所產生的性能提高。
最近，在磁盤驅動器中已經研究了富勒烯作為磁性器件如磁盤用的潛在涂層材料。例如，美國專利No.5,374,463說明了具有由厚度為30～150埃(3～15nm)的多層富勒烯形成的薄膜涂層的磁盤。但是，所述富勒烯涂層對于目前磁盤驅動器的浮動高度要求來說太厚了。本發(fā)明提供一種解決此問題和其它問題的方法，并提供已有技術不具有的其它優(yōu)點。
發(fā)明概述本發(fā)明提供在基底上沉積富勒烯涂層的方法。在一真空室中放置一富勒烯靶子和一基底。將具有足夠能量可從靶子上發(fā)射富勒烯分子但不與富勒烯反應的帶電粒子束即電子或離子束投射在靶子上。使產生的富勒烯沉積在基底上。
在另一實施方式中，將基底加熱至高于富勒烯-富勒烯解吸溫度的某一溫度，將富勒烯沉積在基底上形成由大約富勒烯單層組成的涂層。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點，可以通過閱讀以下詳細說明并參考相關附圖可以顯而易見。
附圖簡要說明

圖1是可應用本發(fā)明的磁盤驅動器的透視圖。
圖2說明形成本發(fā)明優(yōu)選實施方式的富勒烯涂層的設備和方法。
示例性實施方式的詳細說明圖1是使用本發(fā)明的磁盤驅動器100的透視圖。磁盤驅動器100包括帶有基座102和頂蓋(未顯示)的外殼。磁盤驅動器還包括用磁盤夾具108安裝在主軸電動機(未顯示)上的磁盤組106。磁盤組106包括圍繞于中心軸109安裝的共同旋轉的許多個磁盤107。每個磁盤表面具有相關的磁頭-滑觸頭110，它安裝在磁盤驅動器100上，能和面對的磁盤表面?zhèn)鬟f信息。磁頭-滑觸頭110包括浮動在磁盤組106的單獨磁盤的相關磁盤表面上方的滑觸頭結構和用于從面對磁盤表面上的同心磁道讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)的轉換磁頭111。在圖1所示的例子中，通過連接在執(zhí)行機構116的磁道存取臂114上的懸架112來支撐磁頭-滑觸頭110。通過音圈電動機(VCM)的驅動，執(zhí)行機構116與其連接的磁頭110繞著驅軸120轉動。執(zhí)行機構116的旋轉使磁頭沿弓形軌跡122移動，將磁頭定位在磁盤內徑124和磁盤外徑126之間所需的數(shù)據(jù)磁道上方。音圈電動機118通過裝在電路板128上的伺服電子器件，根據(jù)磁頭-滑觸頭110的磁頭和電腦主機(未顯示)提供的信號而驅動。在電路板128上還包括讀取和寫入的電子器件，根據(jù)通過磁頭-滑觸頭110的讀取磁頭從磁盤組106讀取的數(shù)據(jù)為主計算機提供信號，并向磁頭-滑觸頭110的寫入磁頭提供寫入信號，將數(shù)據(jù)寫入磁盤中。
由主軸電動機帶動磁盤107沿箭頭132方向的旋轉，會在磁盤表面上產生風?；|頭110抗著風的作用以設計距離浮動在相應磁盤的表面上。
上述Dykes等人的申請描述了在潔凈金屬或半導體基底表面上含有純化富勒烯材料單層的超薄保護涂層，所述富勒烯牢固地結合在基底表面上。富勒烯-金屬/半導體的吸引力比各層之間富勒烯-富勒烯的吸引力要強。優(yōu)選C60富勒烯作為涂層材料，因為它對基底有很強的附著力，并且比較容易獲得。富勒烯是具有開放籠形結構的碳簇分子，所述結構以分子表面上是4～6面的多邊形或環(huán)形為特征。就其總體形狀，C60分子是球形的，有點類似于足球，所以有時稱為具有“足球”分子結構。例如，熟知的富勒烯包括也稱為“巴奇球”的C60(buckminster富勒烯)、C70、C80和C84。富勒烯分子的直徑約為5～10埃(0.5～1.0納米)。
富勒烯分子對潔凈金屬和半導體表面呈現(xiàn)極強的附著力，且耐腐蝕，還提供適合的摩擦性質。富勒烯分子對潔凈金屬或半導體基底所形成的結合/鍵合比和富勒烯分子之間所形成的更強。
富勒烯分子附著在潔凈金屬半導體基底上，其強度超過了富勒烯-富勒烯的分子間作用力。富勒烯附著在另一物體上的強度，可以通過富勒烯分子從表面上的凝聚相解吸或蒸發(fā)的溫度來衡量。所述解吸溫度和富勒烯與表面之間的結合/鍵合的強度有關。更高的解吸溫度表示更強的結合/鍵合，反之亦然。對于有些表面，該表面和富勒烯會在低于解吸的溫度下反應，這時該反應溫度就為鍵合強度提供一個下限。
就多層富勒烯涂層而言，它是具有多層富勒烯分子的富勒烯涂層，其開始解吸溫度表示富勒烯-富勒烯的分子間鍵合的強度。富勒烯-富勒烯鍵合的解吸溫度通常為500～570K。而表示富勒烯和金屬或半導體表面附著的結合/鍵合強度的對應于富勒烯-金屬/半導體吸引力的解吸溫度為625～725K或者更高。
富勒烯可以使用各種方法進行合成，有一些富勒烯已經獲得很好的表征。富勒烯可以從各種來源購得，包括SES Research of Houston，TX。富勒烯加以純化，例如用富勒烯有機分散液進行柱色譜純化，該色譜可填充二氧化硅或氧化鋁。將純化的富勒烯沉積在清潔的基底上。
可以將富勒烯，宜為純化形式的富勒烯，沉積在基底表面上形成富勒烯涂層。一種用于沉積富勒烯的方法包括加熱富勒烯升華形成富勒烯蒸氣。使一表面和所述富勒烯蒸氣接觸。以下將敘述的使用帶電粒子束如電子束或離子束進行的濺射方法能改進對沉積過程的控制。
圖2顯示一個由真空系統(tǒng)的外殼202形成的真空室200。帶電粒子束即電子束或離子束的發(fā)生器204將電子束或離子束206投射在由富勒烯-60(C60)形成的富勒烯靶子208，如多層富勒烯-60靶子或者粉末狀富勒烯-60的靶子上。具體地說，所述靶子可以是富勒烯簇的粉末或富勒烯的固相或凝聚相。富勒烯可以是結晶狀或者是無定形的。富勒烯靶子可以形成在電子束發(fā)生器的陽極210上，使來自電子束發(fā)生器陰極的電子轟擊富勒烯靶子的陽極，使富勒烯分子發(fā)射到真空室中。所述從陰極到陽極的帶電粒子束可以攔截傳輸中的富勒烯。
帶電粒子束應具有足夠低的電壓和通量，以避免富勒烯的分解或者相當多的高級富勒烯如C70、C76、C78、C84等的形成。但是，若需要的話，除C60外靶子上還可以包含其它富勒烯?？梢允褂酶鞣N電子束發(fā)生器裝置來產生電子束。例如，電子束發(fā)生器可以是棒料喂送的電子束發(fā)生器，在此情況下富勒烯靶子以棒的形式用于發(fā)生器。電子束發(fā)生器可以例如使用以低于約1千伏，通常約250～25伏的恒定電壓提供的30千瓦功率來操作，將電子發(fā)射到靶子上。電子束發(fā)生器通常以約1～0.01安培，在有些實施方式中以約0.2～0.05安培的發(fā)射電流來操作。可以使用一種分子/原子束和電子束或電弧相互作用，使原子或分子流離子化來產生離子束。用來形成離子束的原子/分子優(yōu)選是惰性的。合適的離子包括例如氬離子。
由于污染物的存在會干擾表面和富勒烯分子之間的牢固附著，所以保持基底212清潔，不受污染是很重要的。例如，基底表面的氧化物會使富勒烯分子和金屬或半導體基底之間的結合/鍵合強度降低。在某些條件下氫可以和碳反應。一種滿足清潔沉積環(huán)境要求的方法，是在高真空條件下通過如化學或蒸氣沉積方法形成基底，或者在高真空條件下用濺射或其它方法清潔基底。在任何情況下，富勒烯的沉積宜在基底表面上或在沉積室的氣氛中基本沒有污染物的條件下進行，因為污染物會影響牢固附著的富勒烯層的形成。
在優(yōu)選實施方式中，沉積應在真空，宜在約10-2～10-10乇中進行。在多數(shù)情況下，壓力應約為10-7乇(torr)或更低。壓力的降低可以確保在室中基本不存在氧、氫和水分。具體地說，低壓應確保氧、氫和水分的分壓在極端真空的條件下，低于約10-9乇。本發(fā)明方法也可以在大氣壓下進行，但是必須注意避免污染物的存在。例如，可以在惰性氣體中使氧、水分和氫的分壓均低于約10-9乇的條件下進行此方法。
撞擊富勒烯靶子208的電子或離子使富勒烯分子從靶子中發(fā)射出來。至少有一些富勒烯分子學沿箭頭212的方向朝清潔基底214發(fā)射，將分子216沉積在基底的表面218上。結果，在基底214的表面218上沉積了富勒烯涂層。
這時并不需要使用任何帶電金屬板或其它聚焦裝置，使富勒烯分子朝基底212聚焦，但是若需要的話也可以進行聚焦。然而，基底212和靶子208之間的距離應盡實際可能的小，以避免富勒烯發(fā)射到外殼202周邊和室200內其它地方的損失。由于基底較大話，通常其位置距離靶子要稍遠些，以獲得合理的表面覆蓋率，合適的距離可以根據(jù)需涂覆表面的大小來確定。因此，在涂覆室中，與靶子的距離，存儲磁盤通常應比磁盤驅動器磁頭放得遠些。
在其上沉積富勒烯的基底材料的選擇也取決于涂覆物件的具體用途和性能參數(shù)。對于磁頭，合適的基底材料包括例如Ni、Co、NiFe、CoFe、CoZrNb、NiFeCr、AlSiFE、NiFeRe以及它們的混合物或者合金。對于磁盤，合適的基底材料包括金屬如鈷和鈷合金，如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和其它類似材料，以及它們的混合物和合金。其它金屬和合金，包括例如PtMn、Cu、Ru、Rh、Ta、CoPt、CoCuPt、Au等。對于磁光盤，可以包括一種或多種稀土元素和一種或多種過渡金屬如TbFeCo、GdFeCo、TbFeCoZr、DyFeCo和GdDyFeCo。
不管在基底表面沉積富勒烯所用的方法如何，沉積的富勒烯可能超過單層。富勒烯多層增加了保護層不需要的附加厚度。而且，由于富勒烯-富勒烯分子間的吸引力明顯小于富勒烯與潔凈金屬或半導體表面之間強的吸引力，所以所述增加的富勒烯層不穩(wěn)定。
雖然可以控制沉積時間和條件來直接沉積出單層，但是很難控制適于生產單層的沉積條件。若沉積的超過單層，就需要除去附加的富勒烯多層，而留下在潔凈金屬或半導體表面上牢固附著的單層。為了除去附加的富勒烯，可以將經涂覆基底加熱到可以解吸富勒烯多層但同時又不影響單層的溫度，這一點在以下將進一步說明。由于相對于富勒烯-富勒烯分子間的鍵合來說，富勒烯和潔凈金屬或半導體表面之間的結合/鍵合更強，使得這種選擇性解吸是可能的。
在另一實施方式中，大約單層的富勒烯涂層，可以在用加熱器214加熱基底到高于富勒烯-富勒烯鍵合的解吸溫度，但又低于富勒烯-基底鍵合的解吸溫度的某個溫度(例如約為200～400℃，通常約為225～350℃)的條件下在基底212上沉積富勒烯分子來形成，同時阻止多層富勒烯的形成。因此，所述富勒烯單層的形成可以一步進行到位。在有些實施方式中，可以在整個沉積過程中加熱基底。但是，基底也可以僅在沉積過程中的一段時間進行加熱，例如使得富勒烯開始凝聚在冷的基底上，再加熱基底來完成單層的形成。類似地，也可以在開始進行富勒烯沉積過程之前加熱基底。
使用上述濺射方法通過上述Dykes等人申請中的升華方法、旋涂法或者任何其它合適的方法，可以將富勒烯沉積在所述基底上。如本文用于富勒烯涂層的術語“單層”是指具有大約一層富勒烯分子的涂層，但若所述涂層稍微多或者少于單層，其性能不會受到多大影響。而且，雖然富勒烯分子單層通常在基底上積聚成兩維結晶結構，但是在單層中具有較小晶格缺陷的富勒烯涂層不會改變富勒烯層所需的性質，可以認為是近似的單層。不管如何，富勒烯單層保護基底免于磨損和水蒸汽的腐蝕，能為滿意的潤滑性能提供超薄層適用于磁性數(shù)據(jù)存儲部件如讀/寫磁頭、滑觸頭和磁盤。
在基底上富勒烯分子單層的形成產生了具有厚度小于約1.0納米的涂層。在要求小的浮動高度如在磁盤驅動器的情況下，這個特征尤其有利。可以在沉積過程中如本文所述加熱基底，或者在沉積過程以后除去富勒烯多層，來形成富勒烯單層。例如，可以如上述Dykes等人的申請所述，在形成富勒烯多層之后，加熱所述基底，或者往富勒烯多層施涂溶劑，或者用高能射線照射來去除富勒烯多層，上述后兩個方法在由Dykes等人與本文同日提交，名為“制備超薄保護層的方法”的申請No.S01.12-0805/STL 9643中有記述。
數(shù)據(jù)存儲磁盤的表面還可以在富勒烯保護層上進一步有一層潤滑層。合適的潤滑層包括聚合物，例如氟化高聚物，如全氟聚醚及其衍生物。合適的全氟聚醚聚合物，包括例如FomblinZ-60(平均分子量(AMW)＝約60，000原子質量單位(AMU)或道爾頓)，F(xiàn)omblinZ-25(AMW＝約25，000 AMU)和FomblinZ-15(AMW＝約15，000 AMU)。由Montedison(Ausimont)S.P.A.，Milan，Italy制造的Fomblin全氟聚醚的分子式為CF3O(CF2CF2O)n(CF2O)mCF3，式中n和m可以改變來產生具有特定數(shù)值平均分子量的特定產品。
在一些特別優(yōu)選的實施方式中，磁盤驅動器的磁頭表面和磁盤表面均具有富勒烯單層。由于富勒烯分子之間的弱相互作用力，有富勒烯涂層的磁頭不會強烈地附著在有富勒烯涂覆的磁盤上。對于這些實施方式，磁盤基底表面上是不需要另加潤滑層來達到所需磨擦性能的。
在一個實施方式中，換言之，富勒烯-60的靶子(208)與基底(212)置于真空室(200)中。將具有足夠能量可以使富勒烯分子從靶子發(fā)射出來但同時又不會形成顯著比C60更高分子結構的富勒烯的帶電粒子束(206)投射到靶子上。產生的富勒烯(214)C60就沉積在基底上。在其它實施方式中，可以使用其它富勒烯。
在一些優(yōu)選實施方式中，是在操作壓力約10-2～10-10乇，宜約10-7～10-9乇的真空室中進行此過程。電子束由發(fā)射電壓低于1千伏的電子束發(fā)生器產生。合適的離子束包括例如氬離子束。
在另一實施方式中，在用一個加熱器(214)加熱基底至高于富勒烯-富勒烯解吸溫度的情況下，將富勒烯在基底上沉積形成大約富勒烯單層組成的涂層。
雖然是就磁性物件，如磁盤或磁光盤驅動器的磁頭/滑觸頭和磁盤所用的保護層說明了本發(fā)明，但是本技術領域的技術人員應能意識到，本發(fā)明可以用于其它器件上，所述器件包括但不限于用在驅動器的主軸電動機和音圈電動機的軸承上以及使用涂層和潤滑技術尤其是需要超薄涂層的其它系統(tǒng)上。
在此應該理解，即使在上述說明中闡述了本發(fā)明各種實施方式的許多特征和優(yōu)點，以及本發(fā)明各種實施方式的具體結構和功能，但是這些內容僅僅是說明性的，在具體細節(jié)，尤其在涂層的結構和排列、去除多分子層的方式上可以作出改動，而仍保留在本發(fā)明權利要求書所表述的廣義意思表示的完整范圍的原則。例如，在不背離本發(fā)明范圍和精神的條件下，根據(jù)保護層具體的用途可以改變一些具體的細節(jié)，而仍基本保持相同的功能。因此，雖然本發(fā)明是結合富勒烯涂層進行說明的，但是將多分子層減少成為單分子層的方法可以通過各種不會不利地升高被涂覆物件溫度的方法，如機械或化學的方法來完成。雖然本文所述的發(fā)明直接涉及獲得單層涂層的特定技術，但是應意識到，本領域技術人員在不背離本發(fā)明范圍和精神的條件下，可以使用本發(fā)明所述的技術形成受控的多分子層涂層。
權利要求
1.在基底上沉積富勒烯涂層的方法，該方法包括a)在一個室中以足以從包含富勒烯的靶子上發(fā)射出富勒烯分子，而不會與富勒烯反應的能量，將帶電粒子束投射到所述靶子上，將產生的富勒烯沉積在置于該室中的基底表面上。
2.權利要求1所述的方法，其特征在于所述室是在約10-2～10-10乇的壓力操作的。
3.權利要求1所述的方法，其特征在于所述帶電粒子束為電子束。
4.權利要求1所述的方法，其特征在于所述帶電粒子束為離子束。
5.權利要求1所述的方法，其特征在于所述基底是由選自金屬和半導體以及它們的混合物的材料形成。
6.權利要求1所述的方法，其特征在于所述基底是由選自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、PtMn、Cu、Ru、Rh、Ta、CoPt、CoCuPt、Au、稀土金屬、過渡金屬以及它們的混合物和合金的材料形成的。
7.權利要求1所述的方法，其特征在于所述富勒烯分子以相當于富勒烯單層解吸溫度至少約為700K的富勒烯-基底鍵合強度附著在基底上。
8.權利要求1所述的方法，其特征在于所述方法還包括如下步驟b)將所述基底加熱至高于富勒烯-富勒烯解吸溫度某一溫度的同時，將富勒烯沉積在基底上。
9.權利要求8所述的方法，其特征在于基底上的富勒烯涂層大約為單層。
10.權利要求1所述的方法，其特征在于所述富勒烯為C60。
11.權利要求1所述的方法，其特征在于所述基底表面包括金屬或半導體，該方法還包括如下步驟b)在所述室中形成清潔的金屬或半導體表面。
12.權利要求1所述的方法，其特征在于所述帶電粒子束是以不高于約1千伏的電壓投射的電子束。
13.權利要求1所述的方法，其特征在于所述靶子包含富勒烯簇的粉末。
14.權利要求1所述的方法，其特征在于所述靶子包含凝聚的富勒烯層。
15.在金屬或半導體基底上形成大約單層富勒烯涂層的方法，該方法包括a)在基底上沉積富勒烯一段沉積時間；b)在所述沉積時間的至少一部分時間內加熱所述基底，使其溫度高于富勒烯-富勒烯解吸溫度，但又低于富勒烯-基底解吸溫度。
16.權利要求15所述的方法，其特征在于所述步驟(b)是在約225～350℃的溫度進行的。
17.權利要求15所述的方法，其特征在于所述基底是由選自金屬和半導體以及它們的混合物的材料形成。
18.權利要求15所述的方法，其特征在于所述基底是由選自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、PtMn、Cu、Ru、Rh、Ta、CoPt、CoCuPt、Au、稀土金屬、過渡金屬以及它們的混合物和合金的材料形成的。
19.權利要求15所述的方法，其特征在于所述富勒烯分子以相當于富勒烯單層解吸溫度至少約為700K的富勒烯-基底鍵合強度附著在基底上。
20.權利要求15所述的方法，其特征在于所述富勒烯為C60。
21.權利要求15所述的方法，其特征在于富勒烯的沉積是通過升華來進行的。
22.權利要求15所述的方法，其特征在于富勒烯的沉積是通過對富勒烯靶子濺射來進行的。
23.權利要求15所述的方法，其特征在于所述基底在整個沉積時間均在加熱。
24.權利要求15所述的方法，其特征是在沉積時間的一部分時間中加熱所述基底，在加熱基底的同時形成富勒烯單層。
全文摘要
在真空室中放置一富勒烯靶子和一基底。將具有足夠能量可從靶子上發(fā)射富勒烯分子，但不足以形成顯著量比所述靶子富勒烯更高分子結構的富勒烯的帶電粒子束206，即電子束或離子束，投射在靶子208上。富勒烯214就在所述基底212上沉積。不論沉積富勒烯所用的是什么方法，在沉積過程中可以加熱所述基底212到高于富勒烯－富勒烯解吸溫度的某個溫度，形成由大約富勒烯單層組成的涂層。
文檔編號G11B7/12GK1441854SQ01812313
公開日2003年9月10日 申請日期2001年5月31日 優(yōu)先權日2000年6月2日
發(fā)明者J·W·戴克斯, J·W·赫恩, J·E·安杰洛, W·D·莫斯利 申請人:西加特技術有限責任公司