CN109935244B - 一种接触式硬盘磁头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种简化工艺，更易于实现及量产的接触式硬盘的磁头结构及其制备方法。具体为接触式硬盘的磁头包括磁头滑块和极尖，其特征在于：所述磁头滑块包括表面和底面；多个超滑片排列在所述磁头滑块的底面上；所述每个超滑片上表面通过连接结构与所述磁头滑块的底面连接；所述超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度可调节。

Description

一种接触式硬盘磁头及其制备方法

技术领域

本发明涉及大容量存储设备，尤其是涉及一种基于结构超滑技术的接触式硬盘磁头。

背景技术

随着硬盘存储容量与日俱增，盘片存储介质的颗粒日益减小，为了保证数据存取的可靠性，磁头的飞行高度也不断减小，为了获得足够的分辨率，要求磁头滑块的体积及重量越来越小。

目前硬盘的读写都是采用磁头悬浮在盘体上方几纳米高度进行读写，磁存储技术是一种近场技术，读写磁信息时磁场强度随着磁头与磁介质之间距离的增大呈现指数衰减。目前，磁存储单元的尺寸越来越小，磁头读写器与磁介质之间的距离也越来越小，以保证快速读写磁盘上的磁信息的准确度。但这种距离的减小受到磁头飞行高度、磁头滑块表面的类金刚石膜厚度以及磁介质上方的类金刚石保护膜厚度和润滑层厚度等的限制。

此外，读写稳定性也是影响硬盘性能的另外一个重要指标。硬盘在震动，高低温，高海拔等恶劣条件下，不但使用寿命会缩短，而且可能会因为突发故障影响日常生产生活。另外，传统硬盘在跌落等冲击载荷下也很容易损坏，影响数据安全性。

目前已有一些方案试图取代硬盘传统的飞行读写模式，中国专利申请CN201010115892.1公开了一种接触式读写的硬盘设备，利用具有低摩擦的原子级光滑表面的材料覆盖磁头和盘体以及利用该原子级光滑表面间范德华力支撑来降低磁头与盘体间距离，将磁头与盘体的间距从传统飞行模式的2-5nm范围降低至1nm以下。但该方案磁头在接触式读取过程中会产生磁头和盘体表面材料的磨损，磨损的积累可能导致磁盘损坏从而降低使用寿命。中国专利申请CN201410100304.5公开了一种读写接触式硬盘的磁头、滑块与盘体的接触技术，利用至少一层二维原子层将磁头滑块包裹，且磁头滑块与盘体之间直接接触的二维原子晶体两层结构具有非共度性，并呈现超滑状态，可完全取消传统磁头滑块中的DLC保护层，进一步降低了磁头滑块与盘体之间的距离，实现更高存储密度、更快存储和读取速度、以及更小型化的硬盘设备。然而，该种方法需要比磁头滑块尺寸更大的二维材料，至少要达到10um-1000um的尺寸，单晶石墨烯作为最有发展前景的二维材料，大尺寸单晶石墨烯的转移以及后续工艺存在着诸多隐患，由于尺寸大，制备工艺中破片的风险很大，剥离与转移两道工序也大大增加了制造成本。

2012年郑泉水团队创新性的发现了微米级尺度的超滑现象(参见Liu Z,YangJ,GreyF,etal.Observation of microscale superlubricity in graphite.[J].PhysicalReview Letters,2012,108(20):205503.)，利用高定向热解石墨刻蚀形成微米级石墨岛，具有可自回复功能的超滑面的石墨岛被认为是具有超滑性质的超滑石墨岛。然而，超滑石墨岛的形成概率随着石墨岛尺寸的增大而迅速降低，目前制备出的超滑石墨岛的尺寸由于受到石墨单晶尺寸的限制，仍然局限于10um左右，不能直接作为超滑层应用到接触式硬盘中。

基于以上原因，需要提出一种成本更低、磨损更小、更加易于实现的，且能够实现接触式读写的磁头以及硬盘设备，使其能够实现磁头滑块与盘体进行接触式读写，大幅提高读写速度，还能够提高硬盘的安全性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是要针对现有技术中制备的超滑层尺寸过小而不能直接应用，提供一种接触式硬盘的磁头结构，以及一种接触式硬盘磁头的制备方法，易于产业化，同时实现接触式读写，提高硬盘的安全性能。

为实现上述目的，将多个小尺寸的超滑片结构组合排列并连接在较大尺寸的磁头滑块底面上，通过调节多个超滑片的高度，使其底面位于同一平面上。由于每个小尺寸的超滑片至少具有一个超滑面，超滑面为具有自回复功能的原子级光滑的二维材料，其与盘体之间滑动时几乎是零摩擦、零磨损，从而可以实现磁头滑块与盘体进行接触式读写。本发明中小尺寸的超滑片基于现有的超滑技术即可获得，每个超滑片的高度及底面积可以相同或不同，无需增加工艺难度，即可将小尺寸的超滑片结构应用于较大尺寸的磁头滑块中。

本发明提供了一种接触式硬盘的磁头，包括磁头滑块和极尖，其特征在于：所述磁头滑块包括表面和底面，底面与盘体接触；多个超滑片排列在所述磁头滑块的底面上；所述每个超滑片上表面通过连接结构与所述磁头滑块的底面连接；所述超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度可调节。

所述连接结构包括在所述磁头滑块上设置凹槽，在所述多个超滑片上分别设置连接部件，连接部件对齐所述凹槽，所述超滑片固定在所述凹槽中。

所述连接结构包括通过弹性连接材料将所述多个超滑片连接到所述磁头滑块上。

所述超滑片的高度和底面积可以相同或不同，根据所述连接材料的高度调节超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度，使所述超滑片的下表面处于同一平面。

所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面平行。

所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面具有一个夹角。

所述磁头滑块可以为传统磁头滑块切割或新型MAMR/HAMR磁头滑块。

所述超滑片至少有一个超滑面，所述超滑面是具有自回复功能的原子级光滑的二维材料；所述超滑片材料优选为石墨片或其他具有超滑面的材料；或者优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯具有超滑性质的材料。

所述超滑面的直径为1μm～100μm，每个超滑片厚度为100nm～10μm。

本发明还提供了一种制备接触式磁头的方法，包括制备磁头滑块和极尖，并使极尖连接在磁头滑块的一侧，其特征在于：

步骤1)制备所述磁头滑块，包括表面和底面；

步骤2)制备多个超滑片；

步骤3)将所述多个超滑片转移并排列在所述磁头滑块上；

步骤4)所述每个超滑片上表面通过连接部件与磁头滑块底面连接；

步骤5)调节超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度，使所述多个超滑片的下表面处于同一平面。

所述连接通过以下方式实现：在所述磁头滑块底面刻蚀凹槽，在所述多个超滑片上分别设置连接部件，连接部件对齐所述凹槽，调节所述高度后将超滑片固定在所述凹槽中。

所述连接通过以下方式实现：通过弹性连接材料将所述多个超滑片连接到所述磁头滑块底面上，调节所述高度后固化所述弹性连接材料。

所述超滑片的高度和底面积可以相同或不同，根据所述连接材料的高度调节超滑片的下表面距所述磁头滑块表面的高度，并使所述多个超滑片的下表面处于同一平面。

所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面平行。

所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面具有一个夹角。

所述步骤2)包括：

步骤2-1，在高定向热解石墨上至少覆盖光刻胶，所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖；

步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛；

步骤2-3，刻蚀所述高定向热解石墨，以便去除未被光刻胶保护的部分高定向热解石墨，从而形成多个岛状结构，所述刻蚀可以是反应离子刻蚀；

步骤2-4，利用机械臂逐个推开所述岛状结构，检测所述多个岛状结构是否具有超滑面，将所述岛状结构沿着超滑面分离后下表面为超滑面的片状结构即为超滑片。

通过上述的技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.有效去除磁头飞行高度，减少润滑油的使用，有效提高硬盘读写分辨率，进一步提升读写速度；

2.可以很好的解决传统硬盘在耐高低温、防震、防冲击等方面的缺陷，大大提高硬盘的稳定性和安全性；

3.基于现有的超滑片的尺寸及工艺，将其应用于接触式硬盘设备中的磁头，简化工艺，易于实现和量产。

附图说明

图1：本发明接触式硬盘设备中磁头滑块底面刻蚀凹槽，且超滑片底面与磁头滑块表面平行的示意图。

图2：本发明接触式硬盘设备中磁头滑块底面刻蚀凹槽，且超滑片底面与磁头滑块表面有夹角的示意图。

图3：本发明接触式硬盘设备中磁头滑块无凹槽，且超滑片底面与磁头滑块表面有夹角的示意图。

附图标记：1为磁头滑块，2为磁头极尖部位，3为超滑片，4为连接材料。

具体实施方式

本发明提出了一种新的接触式硬盘磁头，包括磁头滑块和极尖，通过晶圆处理工序将磁头滑块尺寸设计为微米级，磁头滑块底面边长为50-800μm，高度为30-200μm。不需要对磁头滑块下表面进行复杂的气垫面设计，而仅需利用已知的抛光的技术对磁头滑块的底面进行抛光，以获得平整表面。

以下将参考附图详细描述本发明的接触式硬盘的磁头结构及其制备方法。

根据本发明的第一个实施例，如图1所示，提供了一种接触式硬盘的磁头，包括磁头滑块1，极尖2，超滑片3，连接材料4，磁头滑块1底面上有多个凹槽，多个超滑片3通过连接材料4与凹槽连接在磁头滑块1上。其中，通过微加工技术制备带有凹槽的磁头滑块1，磁头滑块1的底面边长为50-800μm，高度为30-200μm。凹槽的具体数量可以根据磁头滑块1的尺寸进行选择，凹槽均匀或非均匀分布于磁头滑块1上。超滑片3的超滑面直径为3-20μm，超滑片面积小于凹槽面积，位置分布与磁头滑块1上的凹槽相对应。

将超滑片3通过点胶技术粘接于磁头滑块1的凹槽中，通过适当的压力使胶滴固化使多个超滑片3底部处于同一高度，磁头滑块1表面与超滑片3下表面所处平面平行，并使超滑片3与硬盘盘片紧密接触，同时控制磁头滑块极尖部位与硬盘盘片间距离为0.3-5nm。

或者，如本发明附图2所示，磁头滑块1表面与超滑片3下表面所处平面具有一个夹角。

根据本发明的第二个实施例，如图3所示，提供了一种接触式硬盘的磁头，包括磁头滑块1，极尖2，超滑片3，连接材料4，多个超滑片3通过连接材料4直接连接在磁头滑块1的底面上。其中，通过微加工技术制备磁头滑块1，磁头滑块1的底面边长为50-800μm，高度为30-200μm。超滑片3的超滑面直径为3-20μm，超滑片3均匀或非均匀分布于磁头滑块1上。

将超滑片3通过点胶技术粘接于磁头滑块1的底面上，通过适当的压力使胶滴固化使多个超滑片3底部处于同一高度，磁头滑块1表面与超滑片3下表面所处平面具有一个夹角，并使超滑片3与硬盘盘片紧密接触，同时控制磁头滑块极尖部位与硬盘盘片间距离为0.3-5nm。

根据本发明的其它的实施例：

其中，超滑片3至少有一个超滑面，例如超滑片下表面为超滑面，其中超滑面是具有自回复功能的原子级光滑的二维材料；

超滑片材料优选为石墨片或其他具有超滑面的材料；或者优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯等具有超滑性质的材料；

超滑面的直径为1μm～100μm，每个超滑片厚度为100nm～10μm；

超滑片的高度和底面积可以相同或不同；

其中，磁头滑块1可以为传统磁头滑块切割或MAMR/HAMR磁头滑块；

其中，凹槽深度为0-3μm，当刻蚀深度为零时，即无需刻蚀。

其中，当滑块与盘片平行时，滑块底部需要刻蚀凹槽；当滑块与盘片存在夹角时，滑块底部可以刻蚀凹槽或无凹槽。

本发明中超滑片的制造方法，包括如下步骤：

步骤1，提供基底，所述基底可以是石墨，例如高定向热解石墨(HOPG)基底或者天然石墨，或者基底材料的内部原子有局部存在层间非公度接触的可能。优选地，还应对石墨基底剥落表皮，例如利用胶带粘在石墨表面然后揭开胶带从而剥落表皮，或用薄刀片从侧面切开石墨。

步骤2，制备岛状结构并使所述岛状结构达到与基底连接的状态。具体来说，可以包括如下步骤：步骤2-1，在所述基底上依次覆盖保护层和光刻胶，所述保护层可以是SiO₂，厚度可以是例如50nm～500nm，可以利用等离子体化学气相沉积法沉积所述SiO₂保护层。所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖。而后在步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛。构图光刻胶的步骤即确定了后续步骤中所形成的岛状结构的布局，例如可以利用电子束刻蚀方法构图所述光刻胶，所形成的光刻胶岛平均直径可以是1μm～30μm，光刻胶岛之间的平均间隔为1μm～100μm，这样刻蚀后的岛状结构也具有相应的平均直径和平均间隔。此后在步骤2-3，刻蚀所述基底，以便去除未被光刻胶保护的保护层和部分基底，从而形成多个岛状结构。所述刻蚀可以是例如反应离子刻蚀。

当然也可以不覆盖所述保护层，而直接在基底上覆盖光刻胶并进行岛状结构的刻蚀，从而形成不带保护层的岛状结构。

步骤3，利用机械臂逐个推开所述岛状结构检测其是否具有超滑面，将岛状结构推开后形成的下表面具有超滑面的超滑结构即为超滑片。

在硬盘工作的时候，磁头滑块底面的超滑片与盘体的顶面可以始终保持原子接触，二者之间处于超滑状态，即摩擦力几乎为零，无磨损，不会损坏盘片和磁头，这就实现了读写时磁头滑块与盘体的接触。从而大幅度降低传统的飞行距离，同时磁头滑块上传统的类金刚石保护膜及盘片上的润滑层可去除，从而进一步降低磁头极尖与盘片的距离。

超滑片与盘片的接触为“原子接触”。“原子接触”定义为两层原子级平整的表面相互平行，两层界面之间没有其他杂质并且界面之间的原子不形成化学键，界面之间只存在分子间作用(范德华作用)的接触形式。

本发明在现有的超滑片的尺寸及制造工艺基础上，将其应用于接触式硬盘设备中的磁头，简化工艺，易于实现和量产，使其能够实现磁头滑块与盘体进行接触式读写，并且大幅提高读写速度，提高硬盘的安全性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (13)

1.一种接触式硬盘的磁头，包括磁头滑块和极尖，其特征在于：所述磁头滑块包括表面和底面；多个超滑片排列在所述磁头滑块的底面上；每个超滑片上表面通过连接结构与所述磁头滑块的底面连接；所述超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度可调节，根据超滑片的高度调节超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度，使所述超滑片的下表面处于同一平面。

2.如权利要求1所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述连接结构包括在所述磁头滑块上设置凹槽，在所述多个超滑片上分别设置连接部件，连接部件对齐所述凹槽，所述超滑片固定在所述凹槽中；或者，所述连接结构包括通过弹性连接材料将所述多个超滑片连接到所述磁头滑块上。

3.如权利要求1所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述多个超滑片的高度和底面积可以相同或不同。

4.如权利要求1所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面平行；或者，所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面具有一个夹角。

5.如权利要求1所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述磁头滑块可以为传统磁头滑块切割或新型MAMR/HAMR磁头滑块。

6.如权利要求1-5中任一所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述超滑片至少有一个超滑面，所述超滑面是原子级光滑的二维材料。

7.如权利要求6所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述超滑片材料为石墨片或其他具有超滑面的材料。

8.如权利要求6所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述超滑片为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯具有超滑性质的材料。

9.如权利要求6所述的接触式硬盘的磁头，其特征在于：所述超滑面的直径为1μm～100μm，每个超滑片厚度为100nm～10μm。

10.一种制备接触式硬盘磁头的方法，包括制备磁头滑块和极尖，并使极尖连接在磁头滑块的一侧，其特征在于：

步骤1)制备所述磁头滑块，包括表面和底面；

步骤2)制备多个超滑片；

步骤3)将所述多个超滑片转移并排列在所述磁头滑块上；

步骤4)每个所述超滑片上表面通过连接部件与磁头滑块底面连接；

步骤5)调节超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度，根据超滑片的高度调节超滑片的下表面距磁头滑块表面的高度，使所述多个超滑片的下表面处于同一平面。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述连接通过以下方式之一实现：在所述磁头滑块底面刻蚀凹槽，在所述多个超滑片上分别设置连接部件，连接部件对齐所述凹槽，调节所述高度后将超滑片固定在所述凹槽中；或者，通过弹性连接材料将所述多个超滑片连接到所述磁头滑块底面上，调节所述高度后固化所述弹性连接材料。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面平行；或者，所述磁头滑块表面与所述超滑片下表面所处平面具有一个夹角。

13.如权利要求10-12任一所述的方法，其特征在于：所述步骤2)包括：

步骤2-1，在高定向热解石墨上至少覆盖光刻胶，所述光刻胶可以通过旋转涂布的方式进行覆盖；

步骤2-2，构图所述光刻胶，保留多个光刻胶岛；

步骤2-3，刻蚀所述高定向热解石墨，以便去除未被光刻胶保护的部分高定向热解石墨，从而形成多个岛状结构，所述刻蚀可以是反应离子刻蚀；

步骤2-4，利用机械臂逐个推开所述岛状结构，检测所述岛状结构是否具有超滑面，将所述岛状结构沿着超滑面分离后下表面为超滑面的片状结构即为超滑片。

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