CN104218146A - 薄膜pzt结构的粘合增强 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了薄膜PZT结构的粘合增强。一种例如用于盘驱动器的微型致动器，包括基底，基底上的夹层结构，以及基底和夹层结构上方的钝化层。该夹层结构具有由贵金属形成的下电极，压电层，以及由贵金属形成的上电极。该微型致动器进一步具有位于下电极和钝化层之间的下粘合层以及位于上电极和钝化层之间的上粘合层中的一个或两个。即该微型致动器可仅具有下粘合层，仅具有上粘合层，或同时具有下粘合层和上粘合层。

Description

薄膜PZT结构的粘合增强
背景技术
硬盘驱动系统(HDD)典型地包括一个或多个数据存储盘。滑块携带的换能磁头用于从磁盘上的数据磁道读取和写入。磁头万向组件(HGA)通过使换能器沿多个轴万向运动以跟随媒体表面的形状，允许邻接于磁道的数据换能器磁头的精确定位。微型致动器降低了HGA的共振模式并提供第二级位置控制能力。微型致动器可由压电(PZT)或其他材料制成，以诱发HGA换能器的受控旋转。在可操作时，关联于当前微型致动器设计的限制可包括对增加的HGA堆叠高度的需求、非对称驱动和共振特性的采用、增加的HGA预加载力的集中度、以及对用于将电控制信号独立路由至微型致动器和滑块的附加的HGA的中间层结构的需求。
发明内容
本公开通过利用钝化层提供对微型致动器的保护提供了磁头万向组件的改进。本公开给微型致动器提供了具有钝化层的增强的粘合的若干结构，以及制造这些结构的方法。
本公开的一个特定实施例为一种微型致动器，包括基底，基底上的夹层结构，以及基底和夹层结构上方的钝化层。该夹层结构具有由贵金属形成的下电极，压电层，以及由贵金属形成的上电极。该微型致动器进一步具有位于下电极和钝化层之间的下粘合层以及位于上电极和钝化层之间的上粘合层中的一个或两个。即该微型致动器可仅具有下粘合层，仅具有上粘合层，或同时具有下粘合层和上粘合层。
本公开另一特定实施例为一种微型致动器，包括硅基底，基底上的下电极，在下电极的第一部分上并与其相接触的压电层，在压电层上并与其相接触的上电极，下电极的第二部分上的下粘合层，上电极上的上粘合层，以及下粘合层和上粘合层上方的钝化层。
本公开的又一特定实施例为一种磁盘驱动器，包括微型致动器，悬置组件，以及磁头万向组件。该微型致动器可具有硅基底，在基底上的包括铂，铱，钌，或铑之一的下电极，在下电极的第一部分上并与其相接触的压电层，在压电层上并与其相接触的包括铂，铱，钌，或铑之一的上电极，在下电极的第二部分上的下粘合层，上电极上的上粘合层，以及下粘合层和上粘合层上方的电介质钝化层。
以上和多个其他特征和优点将从阅读如下详细描述后显而易见。
附图说明
在考虑本公开的如下多种实施例的详细描述并结合附图之后，本公开可被更全面地理解，其中：
图1为数据存储设备的分解状态透视图。
图2为图1的数据存储设备的悬置部的透视图。
图3为图2悬置部的磁头万向组件的透视图。
图4为微型致动器的示意性侧视图。
图5为用于形成具有钝化层和粘合层的微型致动器的方法的框图。
图6A-6E逐步地说明了图5的用于形成具有钝化层和粘合层的微型致动器的方法。
图7A-7F逐步地说明了用于形成具有钝化层和粘合层的微型致动器的另一方法。
图8为具有钝化层和粘合层的微型致动器的示意性侧视图。
图9为具有钝化层和粘合层的微型致动器的另一实施例的示意性侧视图。
图10为具有钝化层和粘合层的微型致动器的另一实施例的示意性侧视图。
具体实施方式
呈现的实施例总体涉及基于微型致动器的磁头万向组件(HGA)。所公开的是用于通过提供压电(PZT)材料上方的钝化层来保护磁头万向组件的改进。本公开对于微型致动器提供了具有钝化层的增强的粘合的若干结构，以及制造这些结构的方法。
在如下描述中，对构成其一部分的附图进行引用且其中以说明的方式示出至少一个具体实施例。该如下描述提供了附加的具体实施例。应当理解，其他实施例被考虑并可被采用，而不偏离本公开的范围或精神。因此，如下详细描述不应被理解为限制的含义。尽管本公开不限于此，对本公开的多个方面的领会将通过以下所提供的示例的讨论来获得。
除非另外表示，所有表达特征尺寸，量，以及物理属性的数字应理解为利用术语“大约”来修饰。因此，除非表示反义，所提出的数字形式的参数为近似值，其可根据由采用本文公开的教导的本领域技术人员获取的所需属性而变化。
如本文所使用的，单数形式“一个”，“这个”包括具有复数指示物的实施例，除非该内容另外清晰地表述。如该说明书和所附权利要求所使用的，术语“或”总体上应用于包括“和/或”的含义，除非该内容另外清晰地表述。
空间上相关的项，包括但不限于，“下面”，“上面”，“低于”，“下部”，“上部”，“顶部”，如果在本文使用，是为描述方便而使用的，以描述元件与另一元件的空间关系。该空间上相关的项包括了除附图和本文描述的特定方向之外设备不同的方向。例如，如果图中描述的结构被变换或翻转，先前描述为在其他元件下方或低于其他元件的部分将为位于其他元件上方。
参见图1，示出了磁盘驱动或数据存储设备100的顶部透视图。存储设备100被提供以示出示例性环境，其中可实现本发明的多种实施例。然而可以理解，要求保护的发明不限于此。
设备100包括由基板104和顶盖106制成的密封外壳102。主轴电机108被配置使至少一个存储介质如磁盘(在多个实施例中多个存储媒体或磁盘)110转动。通过对应每个由磁头万向组件(HGA)112支持的数据换能器阵列来访问磁盘110。尽管图1示出了使用两个磁记录磁盘和四个对应磁头，但也能够可选地按需使用其他数量的磁头和磁盘(如单个磁盘，等)和其他类型的媒体(如光媒体，等)。
每个HGA112优选地由包括柔性悬置组件116的磁头堆叠组件114(也称为致动器)支持，该柔性悬置组件116进而由刚性致动器臂118支持。致动器114通过施加电流至音圈电机(VCM)122而相对于盒式承载组件120枢转。以这种方式，VCM122的受控操作使得HGA112的换能器对齐于磁盘表面上定义的磁道(未示出)，以对其存储数据或从中检索数据。
印刷电路电缆124提供致动器114和外部设置的设备印刷电路板(PCB)126上的设备控制电子设备之间的电通信。印刷电路电缆124可包括多个电路，其允许设备100若干不同的组件与PCB126的通信。
图2示出了示例性致动器130，其可用于图1的数据存储设备，其中致动器被标识为元件114。致动器130具有基片132，经预加载弯曲部分136支持承载梁134；基片132，承载梁134和部分136形成刚性臂，如图1的致动器臂118。HGA140(在图1标识为HGA112)在承载梁134末端被支持，并包括数据换能器或装有万向接头的磁头，用于经万向盘142和凹坑(未单独示出)沿俯仰(x轴)和横滚(y轴)方向多轴旋转。
HGA140包括滑块，具有面向相关磁盘表面的承载面。该承载面与由磁盘表面的高速旋转建立的射流相交互，以通过流体方式支持邻接于表面的滑块。该承载面通常称为“空气承载”表面，即使大气(例如，惰性气体如氦)之外的不同的液体被保留在设备100的外壳102中。读写数据换能元件安装于滑块，如沿其后沿，以从媒体表面换能数据或换能数据到媒体表面。滑块的受控的连接方式通过将微型致动器整合在HGA 140来实现。
示例性HGA 140在图3示出。HGA 140具有配置有孔径144的万向盘142，其沿盘142的厚度延伸。万向岛146位于万向盘142的孔径144中，为独立元件且与盘142不机械耦合。即万向岛146从万向盘142机械解耦，以允许岛146独立于盘142而移动，如下文讨论。
HGA 140包括能够传输电信号至万向岛146上的电极(未示出)的柔性电路148。在某些实施例，柔性电路148整个长度是弹性的并可保持多个电路途径，其可对应于独立电路和通过一个或多个电极连接于HGA 140的元件的互连电路。在示出的实施例中，6个独立电路位于柔性电路148上并具有6个对应电极(未示出)，其可电气地互连于单个组件，如数据换能磁头，或多个组件，如微型致动器。
HGA 140具有两个微型致动器150和滑块152。在多个实施例中，每个微型致动器150由压电(PZT)材料构造而成并连接于柔性电路148的一部分。尽管微型致动器150的尺寸、组成以及配置不受限制，但微型致动器150与万向岛146和盘142的连接可允许岛146通过对应的一个或两个微型致动器150的运动而偏转。因此微型致动器150的运动合适地移动，枢转并扭转滑块152，以使滑块152的磁和/或光换能组件被对齐，以从存储介质读取数据和/或写入数据至存储介质，如图1的磁盘110。
随着磁盘100的磁道密度增加，HGA 140的精确控制是必要的，以使滑块152合适地定位。微型致动器150的精度对定位滑块152至关重要。图4说明了薄膜PZT微型致动器160的一个实施例。
微型致动器160具有薄膜PZT层162，夹在第一下电极164和第二上电极166中间，全部被支持在硅基底168上。如在图4可见，PZT层162仅呈现于下电极164的一部分上，剩下的下电极164第二和/或第三部分未由PZT层162覆盖。电介质材料170位于下电极164和基底168之间。如本公开全文所使用的，“下电极”为比“顶层”更接近基底的电极；这种“底部”比“顶部”更接近基底的“顶部”和“底部”的约定在本公开全文始终使用。钝化层172覆盖并优选地封装PZT层162和电极164、166。钝化层172对PZT层162和电极164，166提供了物理和化学保护，免受如潮湿，化学，微粒和其他碎屑，以及总体的周围环境之类的因素的影响。电气连接于上电极166的是上金属垫片176，并且电气连接于下电极164的(特别地，连接未由PZT层162覆盖的下电极164的部分)是底部金属垫片174。
电极164，166的合适的材料的示例包括贵金属如铂(Pt)，铱(Ir)，钌(Ru)，铑(Rh)，及其合金。电极164，166的其他合适的材料包括氧化物，如锶钛氧化物(STO或SrTiO3)和镧镍氧化物(LNO)。上电极164可为与下电极166相同或不同的材料。
金属垫片174，176是导电的，并提供电极144，146与合适的电路的电接触。金属垫片174，176的合适的材料包括金(Au)，银(Ag)，和铜(Cu)。
钝化层172可为电气绝缘材料，而在某些实施例中，钝化层172为电介质材料。钝化层172材料合适的示例包括碳，二氧化硅或硅石(SiO2)(包括不同类型的包括SiO2的材料，由不同的技术制成，例如高密度等离子(HDP)，化学蒸汽沉积(CVD)，可流氧化物(FOX)，硼掺杂的硅酸盐玻璃(BSG)，磷掺杂的硅酸盐玻璃(PSG)，硼磷硅酸盐玻璃(BPSG))，四乙基正硅酸盐或四乙氧基硅烷(TEOS)，铝氧化物或氧化铝(Al2O3)，钛氮化物(TiN)，钛低价氧化物(TiOx)，钛碳化物(TiC)，硅氮化物(Si3N4)，硅氮氧化物(SiOxNy)，和硅氮化物氧化物(Si2N2O)。
根据本公开，粘合层位于微型致动器160的层之间，以改进钝化层172与微型致动器160的其他层的粘合。粘合层的合适的材料的示例包括钛(Ti)，钽(Ta)，铬(Cr)，及其合金和其混合物。
图5概述了用于形成具有利用粘合层增强的钝化层的微型致动器的方法的一个实施例；在该方法中，上电极和电介质钝化层之间的粘合被增强。在步骤180，将下电极(例如，电极166)沉积在例如硅基底(例如，Si晶片)或电介质材料上。在步骤181，将PZT层直接沉积在步骤180的下电极上。在步骤183，将上电极(例如，电极164)直接沉积在步骤181的PZT层上。在电极和PZT层之间没有中间或居间层。在步骤183，粘合层位于来自步骤182的电极上方。在步骤184，将掩模施加于粘合层和上电极上方。在该工艺的这一步骤中，上电极层作为用于蚀刻该PZT层的硬掩模。在步骤185蚀刻粘合层和上电极的未掩蔽的区域；在步骤186蚀刻得到的暴露的PZT材料。随后，在步骤187，将掩模沉积在结构(特别是上电极)的上方，并图案化。在步骤188蚀刻粘合层和上电极的未掩蔽的区域，因此形成该上电极。在步骤189，在PZT层和上电极的上方形成聚乙烯(甲基戊二酰亚胺)(PMGI)光致抗蚀剂掩模的图案，从而形成用于后续的粘合层剥离工艺的掩模。在步骤190，将粘合层沉积在结构(包括光致抗蚀剂)上方，，并且在步骤191移除光致抗蚀剂连同存在于光致抗蚀剂上的粘合层；下方不具有光致抗蚀剂的任何粘合层保留。在步骤192，将图案化的掩模沉积在暴露的下电极的上方，并且在步骤193蚀刻下电极和粘合层。在步骤194，将钝化层沉积在结构的上方。在步骤195，将图案化的掩模沉积在钝化层的上方，并且在步骤196蚀刻钝化层。
图6A-6E说明了粘合层的示例性剥离工艺。总体上，剥离工艺是一种简单的用于将沉积膜图案化的方法。在基底上利用光致抗蚀剂来定义图案。将膜(如金属膜)毯覆沉积于基底上方，覆盖光致抗蚀剂，以及光致抗蚀剂已被移除的区域。在实际的剥离工艺期间，利用溶剂移除膜下方的光致抗蚀剂，去掉其中的膜，并且仅保留沉积在基底上的膜。
图6A示出了具有电介质层201的硅基底200。第一下电极202，PZT层203和第二上电极204设置于基底200和电介质201之上。上电极204的上方是粘合层206。由PZT层203，电极204和粘合层206组成的堆叠在顶部和侧部由图6B的第一层光致抗蚀剂208所覆盖。光致抗蚀剂层208围绕该堆叠，以使PZT层203，电极204和粘合层206中没有任何部分被暴露。沉积在第一光致抗蚀剂层208上方的是第二光致抗蚀剂层210，其可在层208之后或与其同时被沉积。光致抗蚀剂层208，210的材料和/或厚度被选择以使当光致抗蚀剂208，210被固化和图案化时，第二光致抗蚀剂层210比第一光致抗蚀剂层208更快地蚀刻，产生图6B的结构。在图6B示出的实施例中，较厚的第二光致抗蚀剂210并未延伸至电极202。第二粘合层212沉积在图6C整个表面的上方，导致粘合层部分212A存在于下电极202上，并且粘合层部分212B存在于第二光致抗蚀剂210上。在图6D，第二光致抗蚀剂210已连同粘合层部分212B和第一光致抗蚀剂208被移除，留下暴露的粘合层部分212A和粘合层206。在图6D的实施例中，下电极202的区域被暴露并且未由粘合层部分212A覆盖，因为区域已被第二光致抗蚀剂210遮蔽。在图6E，钝化层214施加于整个结构上方。得到的结构具有位于下电极202和钝化层214之间的粘合层部分212A，以及位于上电极204和钝化层214之间的粘合层206。
图7A-7F说明了另一过程，用于形成具有通过粘合层增强的钝化层的微型致动器。
图7A示出了具有电介质层221，第一下电极222，和粘合层223的硅基底220。在图7B，粘合层被图案化，以形成两个粘合层部分223A和223B，在其之间具有间隙或通孔，以及暴露在间隙中的一部分下电极222。在图7C，粘合层部分223A，223B之间的间隙被填充以PZT 224。上电极226形成在图7D的PZT 224上方，并且上粘合层228在图7E中形成。在图7F，整个结构被钝化层230覆盖。得到的结构具有位于下电极222和钝化层230之间的粘合层部分223A，223B，以及位于上电极226和钝化层230之间的粘合层228。
如上所示，硅基底200，220可为基于硅的基底，如传统Si晶片。在其他实施例，非硅半导体材料可用于该基底。电介质层201，221总体上呈现于本公开结构中，然而其为可选的。
电极202，204，222，226由贵金属组成，如铂(Pt)，铱(Ir)，钌(Ru)，铑(Rh)，以及其合金，或氧化物如锶钛氧化物(STO或SrTiO3)以及镧镍氧化物(LNO)。每个电极202，204，222，226典型地具有50至100纳米的厚度，然而更薄的和更厚的电极202，204，222，226也可使用。电极202，204，222，226可为相同或不同的材料，以及具有相同或不同的厚度。
此外如上所示，粘合层206，223A，223B和粘合层部分212A，212B由金属组成，如钛(Ti)，钽(Ta)或铬(Cr)，但其他金属或金属合金也可使用。粘合层材料的选择基于粘合材料与钝化层的粘合系数，钝化层典型地为电介质材料。每个粘合层206，223A，223B和部分212A，212B典型地具有1到50纳米的厚度，在某些实施例为5到15纳米(例如，10纳米)，但更薄的和更厚的粘合层206，223A，223B和部分212A，212B也可使用。粘合层206，223A，223B和部分212A，212B可为相同或不同的材料，并具有相同或不同的厚度。
此外如上所示，钝化层214，230可为电气地绝缘材料或电介质材料。钝化层214，230的合适的材料示例包括碳，二氧化硅或硅石(SiO2)，四乙基正硅酸盐或四乙氧基硅烷(TEOS)，铝氧化物或氧化铝(Al2O3)，钛氮化物(TiN)，钛低价氧化物(TiOx)，钛碳化物(TiC)，硅氮化物(Si3N4)，硅氮氧化物(SiOxNy)，以及硅氮化物氧化物(Si2N2O)。钝化层214，230例如可通过等离子沉积，绝缘沉积，化学蒸汽沉积(包括等离子增强的化学蒸汽沉积，或PECVD)来施加。钝化层214，230典型地具有小于一个微米的厚度，通常为0.2至0.7微米(例如，0.5微米)。
图8，9和10说明了三个具有用于改进钝化层的粘合的粘合层的微型致动器构造。在图8，粘合层材料位于钝化层和上电极与下电极之间。在图9，粘合层材料位于钝化层和上电极之间，但不位于下电极上方。在图10，粘合层材料位于钝化层和下电极之间，但不位于上电极上方。
图8的结构与图6E的结构相同，具有堆叠基底200，电介质201，下电极202，PZT 203和上电极204。下粘合层212接触下电极202并且上粘合层206接触上电极206。在该实施例中，一部分下电极202未由粘合层212覆盖；这是由于制造该结构的工艺，并且其他工艺将提供具有完全由粘合层覆盖的下电极的结构。下粘合层212和上粘合层206的上方为钝化层214。
在图9，堆叠在基底300上的为电介质301，下电极302，PZT303和上电极304。上粘合层306接触上电极306。在该实施例中，下电极302没有任何部分由粘合层覆盖。下电极302和上粘合层306的上方为钝化层314。
在图10，堆叠在基底400上的为电介质401，下电极402，PZT403和上电极404。在下电极402上方并相接触的是下粘合层412。在该实施例中，上电极404没有任何部分由粘合层覆盖。下粘合层412和上电极404的上方为钝化层414。
由此，公开了薄膜PZT结构的粘合增强的实施例。以上描述的实现和其他实现均在如下权利要求范围内。本领域技术人员将会理解本发明可利用公开的实施例之外的实施例来实现。公开的实施例被呈现用于说明而非限制，并且本发明仅由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种微型致动器，包括：
基底；
基底上的夹层结构，所述夹层结构由包括贵金属的下电极、压电层、以及包括贵金属的上电极组成；以及
钝化层，位于基底和夹层结构上方；
所述微型致动器进一步包括以下一个或两个：
下粘合层，位于下电极和钝化层之间；以及
上粘合层，位于上电极和钝化层之间。
2.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，既包括下粘合层又包括上粘合层。
3.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，所述钝化层包括四乙基正硅酸盐。
4.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，所述钝化层具有小于1微米的厚度。
5.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，所述下电极包括铂，并且所述上电极包括钌或铂。
6.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，所述粘合层中的一个或两个包括钛、钽或铬。
7.根据权利要求6的微型致动器，其特征在于，所述粘合层具有5至15纳米的厚度。
8.根据权利要求1的微型致动器，其特征在于，进一步包括基底和夹层结构之间的电介质层。
9.一种微型致动器，包括：
硅基底；
基底上的下电极；
压电层，在下电极的第一部分上并与其接触；
上电极，在压电层上并与其接触；
下粘合层，在下电极的第二部分上；
上粘合层，在上电极上；以及
钝化层，在下粘合层和上粘合层上方。
10.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，进一步包括基底上的电介质层，所述下电极在电介质层上。
11.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，下电极和上电极各自包括贵金属。
12.根据权利要求11的微型致动器，其特征在于，下电极包括铂且上电极包括钌或铂。
13.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，下电极和上电极各自单独包括铂、铱、钌、铑、及其合金、锶钛氧化物、或镧镍氧化物。
14.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，所述钝化层包括四乙基正硅酸盐。
15.根据权利要求14的微型致动器，其特征在于，所述钝化层具有小于1微米的厚度。
16.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，所述粘合层的一个或两个包括钛、钽或铬。
17.根据权利要求9的微型致动器，其特征在于，所述粘合层具有5至15纳米的厚度。
18.一种盘驱动器，包括微型致动器、悬置组件、以及磁头万向组件；所述微型致动器包括：硅基底；所述基底上的下电极，包括铂、铱、钌或铑之一；压电层，在下电极的第一部分上并与其接触；上电极，在压电层上并与其接触，包括铂、铱、钌或铑之一；下粘合层，在下电极的第二部分上；上粘合层，在上电极上；以及电介质钝化层，在下粘合层和上粘合层上方。
19.根据权利要求18的盘驱动器，其特征在于，所述钝化层包括四乙基正硅酸盐。
20.根据权利要求18的盘驱动器，其特征在于，所述粘合层的一个或两个包括钛、钽或铬。
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