專利名稱：磁頭的表面改性的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的問題涉及普通磁盤驅(qū)動器(硬磁盤)以及特別是磁盤和磁頭的排列。本發(fā)明特別涉及磁頭的表面改性。
磁盤是容量極大的數(shù)據(jù)存儲器。在一約95mm大小的磁盤上可以存儲將近4億個字符(字節(jié))。
磁盤除了有高的存儲密度外，還須有準(zhǔn)確的機(jī)械和摩擦學(xué)特性。在近期的應(yīng)用中，磁盤的運(yùn)動速度接近5400轉(zhuǎn)/分。這就是說磁盤外周的速度高達(dá)100km/h，其中寫/讀頭距磁盤表面僅有萬分之幾毫米。
只有最精確的制造和統(tǒng)計(jì)學(xué)工藝控制才能達(dá)到這些質(zhì)量要求。
自從生產(chǎn)出有低懸的磁頭的硬磁盤驅(qū)動器以來，這些硬磁盤配有滑潤劑以防止摩擦、磨損和損壞(摩擦學(xué)效應(yīng))?；瑵檮?一般是直鏈或支化的全氟化聚醚)首先施于磁盤上，以確保均勻的表面分布。這種配置從例如DE-AS-2839378和EP-A-0123707得知。
其它的體系基于一個選擇性蒸汽壓儲存器，其中在驅(qū)動器中導(dǎo)入了附加的可汽化滑潤劑，以便使其從汽相凝結(jié)到臨界區(qū)上。
如果現(xiàn)在將磁頭用于用此方式潤滑的磁盤并啟動驅(qū)動器，則磁頭通過從磁盤到磁頭的分子轉(zhuǎn)移被磁盤外層上的滑潤劑“污染”，這樣便得到了一層滑潤劑。
在硬盤界面的這種磁頭和磁盤配置中，通過的空氣流也遇到兩個氟化表面。由于潤滑層的自憎特性，磁頭和磁盤間偶然接觸所傳遞的能量被減少到最低限度。
由于有機(jī)物質(zhì)的親合力、可能的沉積和凝聚產(chǎn)物大大地降低，磁頭的潤滑也有附加的優(yōu)點(diǎn)，即滑潤劑起著化學(xué)表面保護(hù)劑的作用。
US-A-5,409,738敘述了一種由基體、拾取相應(yīng)數(shù)據(jù)的薄膜、磁層上的保護(hù)層以及置于該保護(hù)層上的潤滑劑層組成的記錄媒體。通過在等離子體中進(jìn)行表面氧化聚合制得主分子鏈與保護(hù)層化學(xué)連接的產(chǎn)品。用這種方法能避免諸如水和有機(jī)結(jié)合物之類的雜質(zhì)進(jìn)入磁盤和滑潤劑之間。此方法的缺點(diǎn)是，在基體的表面產(chǎn)生了一附加的不連續(xù)層，它代表一附加的界面并能非常容易地污染磁頭，磁頭便不能用滑潤劑潤濕。
在較新的硬磁盤驅(qū)動器中，磁頭與磁盤間的距離甚至更小，以便能達(dá)到更高的存儲密度。這自然對磁盤和磁頭間界面的摩擦學(xué)特性有甚至更高的要求。為了改進(jìn)表面硬度，在基體表面上使用了一層類似于金剛石的碳層(碳涂層)，在碳層上用滑潤劑作為最終層。使用這種方法減少了磨損，并在磁盤上得到了光滑的層。
由于滑潤劑是通過硬磁盤驅(qū)動器的運(yùn)轉(zhuǎn)自動涂覆的，所以磁頭額外“所需的”潤滑在以前并不必需。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有意的磁頭預(yù)潤滑增加了一已知存在的問題，那就是靜摩擦。
磁頭的臨界表面是先被滑潤劑潤濕還是先被污染尤其取決于吸附率。一般地說，在這種競爭過程中，其一是排除過程，即如果是以拾取污染物小滴(例如油滴)為主，那么用滑潤劑潤濕便愈是不可能，因?yàn)榇藭r表面已比較強(qiáng)地將其親合力改變至拾取油滴。此過程朝一個方向或另一方向傾斜。這也稱為自動催化親合。
如果拾取油滴，則通過空氣的流動它們將聚積在磁頭的后邊。當(dāng)磁頭停止在磁盤上運(yùn)動時，油滴將會由毛細(xì)管吸引作用沿磁頭的下側(cè)吸入磁頭和磁盤的間隙之間，并因此將磁頭粘在磁盤上(玻璃盤效應(yīng))。如果磁頭有足夠長的時間沒有運(yùn)動，而且粘著效應(yīng)相應(yīng)地較強(qiáng)，此觀象可導(dǎo)致磁頭從磁頭夾上脫落并對磁盤造成不可挽回的損壞。
由于對更大存儲密度和更小的寫/讀距離的日益增加的界面最佳化，現(xiàn)在似乎這種最佳化已達(dá)到了極限，因?yàn)樵诖疟P驅(qū)動器的最初使用過程中滑潤劑不再足夠快地從磁盤轉(zhuǎn)移到磁頭。申請人最近的分析觀察顯示，取決于所選定的寫/讀距離，并在運(yùn)轉(zhuǎn)了數(shù)周的條件下，在磁頭上無痕量滑潤劑存在，也幾乎沒有封閉的層存在。另一方面，在運(yùn)轉(zhuǎn)的最初幾個小時中，測得了所有類型的污染物如增塑劑，粘合劑和彈性體等的脫氣產(chǎn)物，它們可對驅(qū)動器的工作造成損害，并可由于靜摩擦而導(dǎo)致故障。
由于上述的靜摩擦問題而不能在讀頭上直接引入潤滑層，另一方面由于缺乏保護(hù)層導(dǎo)致了污染物的拾取并因此導(dǎo)致恢復(fù)的靜摩擦，因此存在著開發(fā)一種方法的必要，這種方法能使磁頭的碳涂層上加上一層潤滑層同時又沒有靜摩擦效應(yīng)的缺點(diǎn)；此外，在磁頭上應(yīng)不必有另外的層，因?yàn)榕c硬碳涂層相比，這種涂層柔軟并因此還會引起進(jìn)一步的污染。
因此本發(fā)明的任務(wù)是提供一方便的方法使磁頭的金剛石型層的外原子層按下述方式進(jìn)行改性，即一方面達(dá)到對所用滑潤劑有大的親合力，另一方面又對污染物有低的親合力。
本發(fā)明的另一任務(wù)是使這種方法不需要施用附加層就得以利用。
另外，本發(fā)明的任務(wù)是使物質(zhì)吸附的自動催化過程從一開始起就按正確方向進(jìn)行。
這些和其他任務(wù)由根據(jù)權(quán)利要求1的本發(fā)明方法和根據(jù)權(quán)利要求7的層來解決。
本發(fā)明的其他有利形式在從屬權(quán)利要求中說明。
必須注意，本發(fā)明不限于具有金剛石型涂層的磁頭，并且還能普遍用于施于基體的諸層的外原子層的改性。使用這樣的硬磁盤界面可解釋為只是為了方便。各參數(shù)可根據(jù)基體和施于其上的諸層而變化。專家在經(jīng)過簡單的實(shí)驗(yàn)后可得知正確的參數(shù)。
本身已被證明作為潤滑劑的全氟聚醚的最重要官能基是-CF2-和-CF3基團(tuán)，它們在滑移性和親合力方面給予滑潤劑和被潤滑的表面以“特氟隆樣”的特征。在使用本發(fā)明時，這些基團(tuán)通過改性碳涂層在磁頭上直接產(chǎn)生。
用這種方法，在基體表面上產(chǎn)生固定的共價鍵，確保與基體有最好的化學(xué)結(jié)合。
此外，本發(fā)明方法避免了在改性的表面上形成長聚合物鏈，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講每個碳原子上形成的長聚合物鏈遠(yuǎn)比與基體的鍵合少。使用本發(fā)明方法時，具有特別大量的在表面上固定的鍵的最大數(shù)目氟原子被俘獲，而不是被轉(zhuǎn)移至封閉層。
為了盡可能均勻地改變磁頭的表面并避免形成諸如用化學(xué)浸漬或冷凝法形成的小島效應(yīng)(這將導(dǎo)致在功能上不可行的表面不均勻性和邊界層效應(yīng))，游離基和離子等離子體方法是特別適合的。
這類方法通常是在等離子體室中或等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行的，這樣的等離子體室原則上以兩種不同的模式工作。如果，例如在某一壓力和某一射頻(RF)發(fā)生器輸出下使用氣體如SF6等，則等離子體室以蝕刻模式工作，即在某些條件下，待加工的基體表面被侵蝕掉(RIE-反應(yīng)性離子蝕刻)。
另一方面，如果也在某一壓力和/或RF發(fā)生器輸出下使用烴類如CH4，則會有附加的層沉淀在基體上(CVD-化學(xué)蒸汽淀積)，因此等離子體室以淀積模式工作。
如果等離子體室是以兩種模式處于平衡的方式工作，則可達(dá)到蝕刻和淀積處于平衡的狀態(tài)。
這樣就容許等離子體室的工作方法設(shè)定在根本上是決定性的參數(shù)(這些參數(shù)是壓力、氣體組成和RF發(fā)生器輸出)，因此既沒有太多的蝕刻也沒有太大的淀積發(fā)生，而只是活化了待加工的基體表面。
如果，例如在壓力為約2×10-3毫巴(mbar)至約8×10-3毫巴，優(yōu)選6×10-3毫巴和RF發(fā)生器輸出為約100瓦(W)至約250瓦，優(yōu)選150瓦的條件下使用氬作為反應(yīng)氣體，則基體的上邊界層將首先被氬離子(Ar+)活化(預(yù)處理)，于是某些官能基團(tuán)就能容易地與此活化的表面鍵合。
在等離子體加工的最后，基體表面有非常多的反應(yīng)性位置，并因而有高度的反應(yīng)性。如果停止此過程，上層便通過例如再結(jié)合過程和與周圍的分子反應(yīng)而自動使自身穩(wěn)定。如果不使此過程任其自然，而是在限定的條件下“撲滅”等離子炬，即特定供應(yīng)附加的氟化氣體，則上原子層將相應(yīng)地被此氣體受控改性。例如在本發(fā)明中使用10％范圍的CHF3作為混合氣體的附加組分，但也可使用其它含氟氣體。此中根據(jù)反應(yīng)方程式(a)，基體用結(jié)合分離進(jìn)行改性，因此附加氣體的CF3-基團(tuán)被基體材料所獲取。通過二級反應(yīng)也獲取了-CF2-和-CF-基團(tuán)，但只有較小的程度。以此方式，基本材料的表面張力按如下方式改變，即增加了對滑潤劑的親合力，并同時對雜質(zhì)的親合力低。此現(xiàn)象使用潤濕角測定法可明顯地測定和控制。因此，啟動磁盤驅(qū)動器時，在磁頭被雜質(zhì)污染以前滑潤劑就能附著到磁頭上。
使用分析表征法(ESCA、激光-ICR、潤濕角測定法)可以證明所需基團(tuán)僅在碳基體的表面形成。此改性(僅在外原子層)足以完成所要求的表面張力變化。甚至是深思熟慮創(chuàng)造的有限定厚度的層均不顯示更為有利的表面張力的改變。此外，這些層由于可能的磨損和可能的污染危險(xiǎn)而是不需要的。將用這種方法改性的磁頭安裝在硬磁盤驅(qū)動器中并進(jìn)行靜摩擦試驗(yàn)，30天后硬磁盤驅(qū)動器未顯示出高馬達(dá)電流，而高馬達(dá)電流是靜摩擦的指征。
實(shí)施例首先用反應(yīng)性離子蝕刻法和離子束蝕刻為磁頭的飛行質(zhì)量產(chǎn)生決定性的表面幾何形狀。為保護(hù)磁頭不受機(jī)械磨損和化學(xué)腐蝕，在磁頭上施加一層金剛石類型的碳質(zhì)薄保護(hù)層(碳涂層，COC)。在該方法的最后，用本發(fā)明方法改性該COC層的上原子層以改進(jìn)此層的選擇性粘附質(zhì)量和相關(guān)聯(lián)的磁頭在極薄膜盤上的較好滑移性。
在此方法中，在100-250W(優(yōu)選150W)的發(fā)生器輸出下在約20-40sccm(優(yōu)選20sccm)氬和40-2000scm(優(yōu)選200sccm)CHF3的氣體混合物中點(diǎn)燃等離子體，這樣基體的表面即被改性。
COC層的施加和表面的改性可一個在一個之后立即進(jìn)行或以二級法進(jìn)行，其中等離子體室被再調(diào)節(jié)到相應(yīng)的壓力和組成比。后一工作方法產(chǎn)生可再現(xiàn)的結(jié)果并使該方法獨(dú)立于以前的工藝條件。
本發(fā)明所述方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于只有基體的外原子層的改性，所以不需要有附加層的沉積，而附加層也能成為雜質(zhì)源；另外也不存在附加的磁間距(磁性層與固定高度的寫/讀元件之間的有效距離)。再者使用此方法可具體控制表面參數(shù)如吸附、解吸和滑移，而不損失碳涂層的正面特征。未測到它的硬度變化。本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)可見于這一事實(shí)，即進(jìn)行此方法時不要求另外的設(shè)備。
本發(fā)明所述的調(diào)整摩擦層的表面改性不僅可用于磁頭的碳涂層，也可以應(yīng)用于例如硬磁盤的碳層。
使用CHF3的改性方法的其他應(yīng)用可能性可在膠和粘合劑技術(shù)以及隨后聚合的調(diào)節(jié)中找到。此方法在此首先用于檢查基體和涂層之間的界面，因此預(yù)先限定了第一原子層的結(jié)合。
使用其他氟化氣體是同樣可能的。但在反應(yīng)物中必須至少有一個氫原子。
權(quán)利要求
1.在等離子體室中改性基體上諸層的外原子層的方法，其特征在于從根本上決定等離子體室工作方法的參數(shù)，即壓力、氣體組成和RF發(fā)生器輸出互相匹配，因而等離子體室在蝕刻和氣相淀積間的平衡狀態(tài)下工作；氣體組成中含至少一種能從化學(xué)/物理上活化基體表面的氣體和至少一種帶有在等離子體中是反應(yīng)性的并能與該活化表面化學(xué)鍵合的組分的氣體。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于基體是磁頭。
3.權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于施于基體上的層是金剛石類型的層(碳涂層)。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于活化氣體是惰性氣體，而結(jié)合氣體是氟化氣體。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于壓力是2×10-3一8×10-3毫巴，優(yōu)選6×10-3毫巴，而RF發(fā)生器輸出是100-250瓦，優(yōu)選150瓦。
6.權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于惰性氣體是氬，氟化氣體是CHF3。
7.施于基體上的層，其特征在于只有此層的最外原子層具有含氟的部分官能基。
8.權(quán)利要求7的層在硬磁盤驅(qū)動器中作為磁頭的表面的應(yīng)用。
全文摘要
在等離子體中改性施于基體上的諸層的最外原子層的方法,該方法能在基體上產(chǎn)生以共價鍵固定結(jié)合的CF
文檔編號G11B5/187GK1177168SQ97111568
公開日1998年3月25日 申請日期1997年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者H·希爾杰斯, P·喬里斯, M·斯特勞伯 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司