CN1056009C - 对诸如玻璃盘的脆性非金属表面进行构形的方法 - Google Patents
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Abstract
用于产生一个凸起阵列以对诸如用于数据记录盘的玻璃基底的脆性非金属表面进行构形的方法。该构形方法采用激光器来向脆性玻璃表面提供适当的能流密度，以在表面上产生多个升起的凸起。凸起的产生，是在将激光脉冲的能流密度限制在一个窄的运行区域中从而避免了表面材料的微观裂缝或喷射的情况下实现的，该运行区域是在脆性非金属表面材料的突变热震荡能流阈值以下发现的。该方法还可用于其他脆性表面的构形。
Description
本公开和与其同一天递交的题目为“PROCEDURE EMPLOY-ING A DIODE-PUMPED LASER FOR CONTROLLABLY TEX-TURING A DISK SURFACE”共同未决专利申请第08/150，525号(受让人记录号第SA9-93-005)具有共同的发明人和主题内容，该专利申请也被完全包括在该本文献中。
本发明一般地涉及构形数据存储盘基底的方法，并特别涉及用于脆的非金属表面的高可控激光构形方法；这种非金属表面可以是诸如用于数据存储盘的玻璃基底。
近来的磁盘驱动器设计采用了通常被称为接触启动—停止(CSS)的系统，其中当盘静止时磁头与磁盘表面接触。当盘开始旋转时，磁头沿着表面滑动，最终会由于盘表面处的空气层流完全脱离该表面而悬浮起来。
在这种技术中，希望有平滑、镜面型的记录表面，以使磁头能尽量接近盘表面运行。在先有技术中，在CSS中在用于磁头接触的金属盘表面上形成一个“构形(texture)”的区域，以克服在盘转动的启动和停止期间产生的过度的接触静摩擦和摩擦。磁头在适当的时间被驱动控制器移动到“CSS区”。盘表面的其余部分的镜面平滑性得到了保留，以允许高密度的磁数据记录。
本领域的技术人员已经提出了几种用于构形金属盘表面的有用技术。例如，利用重复激光脉冲在金属表面上产生可再现的坑，在先有技术中已知可被施加到片金属冲压成形表面、液体传递表面和金属数据存储盘表面，如上述共同未决专利申请中所描述的。不幸的是，这种技术一般不适用于对脆性非金属盘基底表面进行构形—这种脆性非金属盘基底表面诸如在先有技术中已知的、用于某些数据存储盘应用的玻璃基底。脆性非金属表面，特别是玻璃表面，在先有技术中已知的用于金属盘基底的研磨或激光构形技术中会出现裂缝或变形。因此，在用于诸如铁磁体或玻璃的脆性表面的技术中，化学表面构形技术和其他图案淀积技术是较佳的。
例如，在美国专利第5,079,657和5,162,073号中，MichaelI.Aronoff等人公布了一个用于对磁头的飞行表面进行构形的选择化学蚀刻技术。Aronoff等人提出一种降低静摩擦的方法，该方法避免了在记录盘上构形CSS区的需要，但是它只限于特定的头表面材料。
在美国专利第4,985,301号中，Toshinori Morizane等人公布了一种用于记录盘的玻璃基板的制作方法，它包括对该基板进行化学蚀刻处理，这种处理在结晶材料和非晶材料之间提供了不同的蚀刻速率。Morizane等人提出用他们的方法在基板中产生构形的CSS区，该CSS区是通过随后淀积的记录材料层来再产生的。其他的技术人员建议采用昂贵的化学蒸汽淀积(CVD)方法来在淀积磁记录膜层之前在玻璃盘表面上产生粗糙的区域。
印刷领域的某些技术人员提出采用激光脉冲来在诸如钨的碳化物的脆性材料的表面上产生很多微小的坑。例如，在美国专利第5,143,578和5,236,763号中，Pierre Luthi公布了一种用于在诸如印刷辊的液体传递表面的固态表面上雕刻一系列相继的小槽或坑的方法。Luthi建议用他的技术来克服通常用于雕刻应用的陶瓷和金属碳化物表面的坚硬性，但既未考虑也未提出用于在脆性非金属盘表面上产生CSS区以克服头的静摩擦的具体问题的解决方案。
其他人考虑了利用激光能量来降低具有玻璃基底的数据记录盘中的静摩擦的具体问题。例如，在日本专利4-311814号中，Maeta Hiroshi公布了一种技术，用于在不降低表面耐久性的情况下，通过从半透明基底的后面施加激光脉冲以破碎并驱散前表面的玻璃的小颗粒，来对玻璃基底进行构形。该激光脉冲引起了热震荡，从而有效地将前表面破碎成了细小的颗粒，这些颗粒随后被部分退火到前表面上，产生了适于降低随后加到前玻璃基底表面上的磁记录膜层中的静摩擦的粗糙的形状。Hiroshi未讨论他的方法是如何克服不受控制的表面损坏产生的问题。
在美国专利第5,062,021和5,108,781号中，Rajiv Ranjan等人提出了一种用于在磁记录盘的金属表面中产生一系列间隔紧密的坑以降低静摩擦的方法。Ranjan等人提出采用闪烁灯泵浦的钕—钇—铝—石榴石(Nd：YAG)激光，以产生所需的表面粗糙。然而，他们未考虑也没有建议将他们的构形方法应用到玻璃盘基底或其他脆性非金属表面，且他们的方法实际上也被一般地认为对于脆性非金属材料是不适用的。
本领域的技术人员避免采用激光脉冲来产生脆性非金属表面的形状的受控改变，因为他们认为那会造成毛发状裂缝或表面材料损坏。这种损坏(经常是微观的)经常由于短促的激光脉冲而造成的迅速熔化和再固化，而在诸如玻璃的脆性非金属材料的激光熔化之后被观测到。这种迅速熔化和再固化，通常在玻璃中造成过度的应力，从而使表面出现裂缝和断裂。这种激光脉冲在此被称为产生了超过脆性非金属表面材料的“热震荡阈值”的应力。实际上，上述的Hiroshi专利就是依赖这种热震荡微观破碎现象来达到其发明的有用性的。低于该阈值的激光脉冲能量通常被认为是对于改变脆性非金属表面的形状无用的。
因此，该本领域中对脆性非金属表面构形技术有一种明显的需要，这种技术具有用于金属表面的已知的激光构形技术的可控制性和其他优点。本发明以下述方式解决了现有技术中明显的有关的未解决的问题和不足。
本发明通过利用由具有精确控制的能量流的单个激光脉冲在玻璃盘表面上形成的高度可再现凸起可以受到控制这一意外发现，解决了上述问题。能量流控制是利用意外的、正好在用于脆性非金属材料的突变热震荡能流密度阈值之下的较窄运行区所需的。流控制是通过选择与适当凸起间隔结合的激光波长、脉冲宽度和重复速率的组合来实现的，以避免激光照射区域受到过度的应力。本发明的窄运行流区在上面受到热震荡阈值的限定，而在下面则受到材料的熔化或软化点的限定。
本发明的一个目的，是在玻璃、陶瓷或其他脆性非金属基底表面的所希望的CSS区中产生很多微观凸起，以改善这种表面的静摩擦、磨损、摩擦、或可涂覆性，或将该表面制备成“冲压成形表面”模具以制作负印版。本发明的方法的一个优点，是能利用脉冲激光在表面的选择区域中可控地产生可高度再现的微观凸起。
本发明的另一个目的，是避免由于激光脉冲加热引起的微观裂缝对脆性非金属表面造成的损坏。本发明的方法的一个特征和优点，是激光脉冲流量被严格控制在正好在热震荡能流密度阈值之下的适当区域中，在该阈值会出现玻璃表面的毛发状裂缝和材料的喷射。这种特征由这样一个完全意外的发现产生的，即存在一个突变转变能量流量阈值(“热震荡阈值”)且在该阈值之下激光脉冲能流密度不起作用或只产生一不造成损坏的凸起。对于具有压缩表面应力的玻璃盘，这种凸起出人意外地几乎完全突出在基准或记录表面上，这对于降低数据存储盘中的静摩擦是非常有用的。
借助以下的说明、权利要求书和附图，可以进一步理解本发明的上述以及其他目的、特征和优点。
现在参见以下结合附图对本发明所作的详细描述，以对本发明有一个完全的理解。
图1是根据本发明的用于对玻璃或其他脆性非金属表面进行构形的一例设备的功能示意图；
图2A-2C显示了用本发明的方法获得的典型表面凸起阵列和凸起的外形图；
图3A-3D显示了根据本发明的方法在四个不同的能流密度级下产生的玻璃基底的表面构形，其中两个能流密度级造成了表面上的微小裂缝；
图4是可转动磁记录盘和磁头的平面图，其中包括一个用于磁头与记录盘之间的接触的接触启动—停止(CSS)区；
图5是图4的磁盘的放大剖视图；
图6是采用本发明的构形的记录盘实施例的直接存取存储器件(DASD)的功能框图。
本发明的方法来自于一个意外的发现，即利用具有与盘表面的适当运动相结合的适当波长、脉冲宽度和重复速率的单束激光脉冲，可以在玻璃盘表面上可控地、低成本迅速地形成可高度再现的微观凸起。图1显示了适于实施本发明的方法的一例设备的功能示意图。本公开主要考虑的是对玻璃存储盘基底进行构形以降低静摩擦，虽然图1的设备也可被用于在玻璃、陶瓷或其他脆性非金属基底表面上产生具有所希望图案的区域，以降低静摩擦、改善磨损或改善可涂覆性，或将其作为大规模生产其他表面使所用的、带有负冲压成形图案的“冲压成形表面”。因此，本发明的方法可被理解为具有普遍的应用性，虽然本公开考虑的是用于数据存储的玻璃盘的构形。
在图1中，选择一个脉冲激光器10，以使入射到玻璃盘基底12上的光透射深度大于10nm且小于1mm，以产生有效的玻璃基底“近表面”加热。脉冲宽度被选择为大于1纳秒并小于100毫秒，以提供作用体积中的有效加热，而不造成过度的热震荡(在1纳秒以下)或通过热扩散的过度体积的加热(在100毫秒以上时)。在玻璃盘12的两个表面14和16上的激光的峰值功率和聚焦点大小得到适当的选择，以产生适当的“能量密度”或“能流密度”，应足以在短时间内提供平缓的表面软化或熔化且不会造成在更高能流密度值下可能出现的从表面14-16的震裂或材料喷射。
激光器10受到脉冲射频(rf)激励信号18的控制，以提供一个脉冲重复速率，该重复速率与玻璃基底12的适当平移和转动相结合，从而在激光器每次发射时在表面14-16的新的目标区域中提供单个的激光脉冲作用。这种要求对于本发明的方法是必要的，因为它在出现表面裂缝和材料喷射的“热震荡阈值”以下提供了较宽的能流密度运行范围。虽然这种“分隔”的目标区域要求是较好的，本发明的方法也可被用于重叠照射目标点，但在热震荡能流密度阈值以下的可接受运行范围较小。
现在描述图1的设备的运行。盘基底12借助一个马达22而在轴20上转动，且整个马达—轴组件借助某种有用的平移装置(未显示)而沿着径向平移。与盘的转动和平移相同步，激光器10受到信号18的脉冲驱动，以提供输出脉冲24。输出脉冲24可借助可移动镜26的偏转而被分束到一个上静止镜28或一个下静止镜30。脉冲24沿着从镜28反射而成的上路径经过一个ZnSe聚焦透镜32而达到一个静止镜34，并从后者到达玻璃基底盘12的上表面14。类似地，脉冲24沿着从镜30反射出的下路径，经过ZnSe聚焦透镜36而到达镜38并从后者到达盘12的下表面16。这样，通过对镜26进行适当的机械控制，就可同时对侧14和16进行构形。
在图1中，表面14-16的构形是借助脉冲能量、光点大小、脉冲速率、脉冲宽度、盘转动速率和盘平移速率的组合来进行控制的。除了这些控制因素以外，对激光的波长进行适当的选择，以获得上述的近表面加热效应。本发明的方法的一个重要因素，是以结合图1所述的上述方式对表面14-16处的能流密度进行精确的控制。这个要求是重要的，因为意外地发现，对于包括玻璃在内的很多脆性非金属表面，都存在有一个非常突变性的能流密度“热震荡阈值级”。在此阈值以上，玻璃表面至少部分地被震裂且材料被喷射。在该热震荡能流密度阈值以下的大部分能流密度区，能量都不足以造成脆性非金属表面的形状改变。本发明的方法利用了以前未知的、位于该热震荡阈值以下适当区域中的较窄的能流密度区域，以在脆性非金属材料中产生有用的表面构形。
图2A显示了一个玻璃表面的构形，它是用以在一个玻璃记录盘基底上产生一个CSS区时本发明人所采用的处理参数的一例组合得到的。图2A中的多个凸起构成了本发明的构形的特征，其中各个凸起同与其相邻的凸起以所希望的间隔Ds相隔。图2B显示了沿着横跨图2C所示的单个凸起的路径测量到的原子力显微镜(AFM)外形。图2B中的外形具有大体为60μm(90-30)的最大直径Dd和在周围基底表面平面之上的、大体为100nm的最大高度hd。这些凸起非常平滑，且最适于降低数据存储盘的CSS区中的静摩擦。即使凸起有100nm的突出高度hd，在玻璃表面上也没有观测到任何裂缝或震裂。较低的凸起高度，即在hd＝[3，40]nm的量级，会更适于CSS区构形。这些较低的凸起可通过采用比用于100nm凸起的激光能流密度低的激光能流来产生。在产生这种较低的凸起的过程中也未产生裂缝或震裂。
以下作为提供用于玻璃表面的、在热震荡阈值以下的能流密度的可接受的运行窗口的一个例子，公布了一组处理参数：
激光波长：λp＝10.6μm；
激光脉冲宽度：tp＝60μsec；
激光脉冲峰值功率：Pp＝12瓦；
聚焦目标点直径：Dp＝200μm；
脉冲重复速率：Fp＝1500Hz；
盘转动速度：ω＝4π弧度/秒；
盘平移速度：νr＝200μm/秒；且
径向凸起间隔：rs＝100μm。
应理解的是，虽然目标区域点的大小Dp为200μm，凸起大小Dd只有30μm。这种关系显示了本发明的激光构形方法的“阈值”特性，即产生了远小于照射点尺寸的特征尺寸。在没有支持证据的情况下，本发明人假定这种意外的“完全突出”的凹进效应可能是由于表面应力的弛豫而产生的，而这种表面应力弛豫则是由于激光引起的表面软化或激光引起的热膨胀在表面冷却到软化点以下使“冻结”而造成的。
用本发明的这种技术，可产生高度从几nm至几μm的凸起。本发明人已经说明了，更大的凸起高度可通过在不产生裂缝的情况下对同一目标区域点重复施加脉冲而产生，只要任何一个脉冲都不超过热震荡阈值能流密度级。
图3A-3D显示了超过玻璃表面的热震荡能流密度阈值的效果，并还显示了可接受能流密度运行范围的突变上限。图3A-3D中的各个表面是利用与结合图2A讨论的相同的运行参数产生的，只是重复速率(Fp＝2000Hz而不是1500Hz)和脉冲宽度tp不同。图3A至3D中的凸起间隔比图2A中的小，因为重复速率Fp增大了。
图3D显示了脉冲宽度tp＝60微秒时产生的表面构形。图3C显示了增大33％而达到80微秒时产生的表面构形。图3C的表面仍然没有可见的微观裂缝和碎屑。然而，图3B显示出了微观裂缝的有力证据，这种裂缝是在脉冲宽度tp只增大了额外的12.5％而达到90微秒时产生的。正是脆性非金属表面的这种意外的突变热震荡能流密度阈值特性，使本发明人想到了这里所述的构形处理的精细能流密度控制因素。最后，图3A显示了激光构形脆性非金属表面的先有技术中已知的广泛的表面损坏和材料喷射。图3A是用tp＝150微秒的脉冲宽度产生的，这是图3D所用的值的250％。
图4和5显示了具有镜面外表面42和用于磁头46的接触启动—停止(CSS)循环的构形的环形区44的磁存储盘。磁头46装在一根臂48上，后者连接于用于将头46沿着相对于转动的盘40的大体径向方向进行定位的装置(未显示)。具体地，头46被定k在构形的环形区域44的上方，而不论盘40是在转动还是停止。
盘40的镜面外表面42(图5)可覆盖几层干涉材料。例如，玻璃基底12可在随后的磁记录层50和保护层52被淀积之前用根据本发明的工艺形成和构形。玻璃基底12的构形表面的形状特征，在随后淀积的各层的表面上得到再现，从而在外表面42的CSS区44中提供了所希望的构形。或者，上述玻璃基底12的任何层可先被淀积，并随后用根据本发明的方法或先有技术中已知的其他有用方法进行构形。因此，“外表面”26在这里指的是层12、50或52的表面中按照本发明的方法进行形状修正的任何一个表面。最后，对于数据存储盘应用，保护层52的表面在设置有构形的环形区域44的CSS区中呈现了所希望的构形。
图6显示了采用具有本发明的玻璃基底12的构形盘40的直接存取存储器件(DASD)54的功能框图。DASD 54包括一个控制单元56，后者协调所有元件与转动盘40的运行。控制单元56向驱动马达60提供一个马达控制信号58，该驱动马达通过轴62转动盘40。控制单元56还通过一个位置控制线66操作一个头致动器64。致动器64通过两个挠性部件68和70而分别与两个磁头72和74相机械连接。磁头72用于在盘40的上表面42上读取和写入数据，而头74用于在转动盘40的下表面76上读取和写入数据。头72和74通过一个读/写信道78与控制单元56相连接，从而将数字数据传送到转动盘40或从后者传送出。
显然，本领域的技术人员很容易看到本发明的其他实施例和修正。因此，本发明只受到所附权利要求的限定，而该权利要求书，当与上述说明和附图结合起来进行理解时，包括了所有这样的实施例和修正。
Claims (14)
1.一种用于对基本上由玻璃材料构成的部件表面进行构形的方法，该玻璃材料具有热震荡阈值能流密度级，在该值以上所述玻璃材料将破碎，
所述方法的特征在于包括以下步骤：
有选择地将激光能量脉冲集中在所述表面的一个处理区域上的多个彼此分隔的位置上，以改变各个所述分隔位置处的一个目标区域中的所述表面的形状，所述激光能量脉冲在所述各个分隔的位置处具有能流密度fp，所述能流密度fp小于所述玻璃材料的所述热震荡阈值能流密度级；
每个激光能量脉冲具有激光能量Ep持续时间tp和具有最大直径Dp的聚焦点，其中Ep、tp和Dp得到适当的选择以将所述能流密度fp的值限制在低于所述热震荡阈值能流密度级，从而在所述各个目标区域中形成一个凸起，所述各个凸起具有最大凸起直径Dd并在表面上升起到一个最大凸起高度hd；以及
所述持续时间tp是在区域[10-9，10-1]秒的范围内并且所述激光能量脉冲具有波入λp，从而使所述激光能量脉冲进入所述表面的光透射深度在区间[10-8，10-3]米的范围中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述表面强烈地吸收在第一谱区中的激光能量且波长λp处于所述第一频谱区中且所述激光能量是用二氧化碳(CO2)激光器产生的。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于各个所述分隔位置和与其最邻近的所述分隔位置的间隔距离为Ds≥Dd。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于各个所述分隔位置和与其最邻近的所述分隔位置之间的间隔距离为Ds，且Ds远小于所述最大直径Dd，从而使多个所述凸起与它们的近邻凸起相合并从而在所述表面上形成大体连续的脊。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于包括一个在所述表面上淀积一个磁数据记录材料膜的步骤。
6.一种用于制作数据记录盘的方法，该数据记录盘包括一个玻璃基板，该基板具有一个表面，玻璃基板具有热震荡阈值能流密度级，在该级上所述玻璃基板将被破碎，
所述方法的特征在于包括以下步骤：
抛光所述表面；
将激光的能量脉冲聚集到所述表面的一个处理区域上的多个分隔开的位置上，以便在所述表面上于每个所述分隔开的位置处产生具有最大直径Dd的凸起，其中每个所述能量脉冲在每个所述分隔开的位置处具有激光能流密度fq，该激光能流密度fp限为所述热震荡阈值能流密度级；
在所述表面上淀积一个磁数据记录材料膜以产生一个数据记录层。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于每个所述激光能量脉冲具有在10-9秒到10-1秒区间内的持续时间tp。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于每个所述激光能量脉冲具有波长λp，从而使所述激光能量脉冲在每个所述间隔位置进入所述玻璃基板的光学透射深度在10-8米到10-3米的区间内。
9.根据权利要求6的方法，其特征在于各个所述分隔开的位置同与其最近邻的所述分隔开的位置的最小分隔距离为Ds≥Dd。
10.根据权利要求6的方法，其特征在于各个所述分隔开的位置同与其最近的所述分隔开的位置的分隔距离Ds远小于所述最大直径Dd，从而使多个所述凸起与它们的近邻凸起相合并从而在所述表面上形成大体连续的脊。
11.一种磁记录盘，它具有一个外表面，外表面带有一个基准表面平面，用于存储可以磁的方式读出的数据，所述盘的特征在于包括：
一个具有大体平面的基底表面的玻璃基底材料层；以及
淀积在所述玻璃基底表面上的可磁化膜层，它具有大体均匀的厚度和大体平面形的记录表面；
其中所述外表面包括一个接触启停区(CSS)，该区具有多个有规则地分隔的凸起，各个所述凸起具有最大直径Dd并从这种平面记录表面上升起到一个最大高度hd。
12.根据权利要求11的磁记录盘，其特征在于各个所述分隔开的位置同与其最近邻的所述分隔开的位置的分隔距离Ds远小于所述最大直径Dd，从而使多个所述凸起与它们的近邻凸起相合并而在所述外表面上形成大体连续的脊。
13.一种用于读出和存储数据的直接存取存储设备，所述设备的特征在于包括：
一个磁记录盘，具有一个玻璃基底材料层，该层带有位于外表面之下的基准表面平面，外表面带有一个基准外表面平面，用于存储可以磁的方式读出的数据；以及
一个磁头和用于沿选定的取向支撑所述头以便于一般相对于所述盘沿径向受控地移动的装置；
其中所述玻璃基底层和所述外表面都包括一个接触启停区(CSS)，该区具有多个有规则地分隔的凸起，各个所述凸起具有最大直径Dd并从相应基准表面平面上升起到一个最大高度hd。
14.根据权利要求13的直接存取存储设备，其特征在于每个所述分隔开的位置同与其最近邻的所述分隔开的位置分开一个远小于所述最大直径Dd的分隔距离Ds，从而使多个所述凸起与它们的最近邻凸起合并而在所述表面上形成大体连续的脊。
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