CN1125441C - 借助随机信号驱动调制器的记录介质激光纹理化 - Google Patents

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Abstract

一种激光纹理化数据存储表面以提供超低滑行跌落的方法和装置，它利用随机调制的连续波激光器(32)。随机信号发生器(36)产生随机信号，它控制声一光调制器(34)。通过沿圆周方向的有限随机性的激光纹理化避免了滑块的共振效应，在磁盘(44)表面提供了可控可重复的图案。

Description

借助随机信号驱动调制器的记录介质激光纹理化
相关申请
本申请拥有1997年9月2日提交的分案美国专利申请60/057,323的优先权，该申请作为参考包含在本发明中。
发明领域
本发明通常涉及激光纹理化磁性记录介质。本发明特别适用于在磁性记录介质的数据存储介质表面用激光辅助超精细纹理化图案。
背景技术
普通磁盘驱动器设计包含通称为接触开始—停止(CSS)系统，当磁头随磁盘开始旋转而开始滑向磁盘表面时启动。在达到预设的高转速后，磁头由于磁头滑行表面与磁盘之间空气流引起的动力学压力效应而飘浮在空气中，与磁盘表面间隔预设的距离。在读取和记录操作期间，随着磁盘的旋转，换能器头维持在据记录表面受控的距离上，支承在空气轴承座上，从而使磁头可以自由地在圆周方向和径向移动，数据可以记录在或读取自磁盘表面所需位置。在磁盘驱动器终止工作后，磁盘转速减小并且磁头再次滑向磁盘表面并最终停止下来与磁盘压迫接触。因此无论磁盘是静止，从停止开始加速和完全停止之前的减速，换能器头与记录表面接触。每次磁头和磁盘组件被驱动时，磁头的滑行表面重复由停止、沿磁盘表面滑行、飘浮在空气中、沿磁盘表面滑行和停止组成的循环操作。
值得考虑的是在读取和记录操作期间保持每个换能器头尽可能接近相关的记录表面，即磁头的飞行高度最小。因此最好要有平滑的记录表面以及相关换能器头平滑的相对表面，从而使磁头和磁盘互相靠近地定位，支承磁头的空气轴承的预测性提高并且行为一致。但是如果磁头表面与记录表面过于平坦，则这些表面的精确匹配在启动和停止阶段引起过度的粘滞性和摩擦力，从而使磁头和记录表面磨损，最终导致称为“磁头变形”的现象。因此减少磁头/磁盘摩擦并使换能器高度最小是富有挑战性的目标。
解决这些问题的普通方法是通过技术上称为“纹理化”的方法向磁盘提供粗糙的表面以抑制磁头/磁盘的摩擦。普通纹理化技术包括对磁盘衬底表面抛光以在随后淀积诸如下层、磁性层、保护涂层和润滑顶层之前提供纹理，其中衬底上的纹理化表面在后面的淀积层内基本相同。
对高记录密度逐渐增加的需求增加了对薄膜磁性介质在矫顽磁性、垂直度、低介质噪声和窄磁道记录性能方面的要求。此外，越来越高的密度和容量的磁盘要求飞行高度(即CSS驱动器内磁头飘浮在磁盘表面上的距离)更小。进一步降低磁头飞行高度的要求是对普通的为避免磁头变形而控制纹理化技术的挑战。
普通的向磁盘衬底提供纹理化表面的技术包含诸如抛光之类的机械操作。在纹理化磁记录介质衬底的过程中，普通的做法包括机械抛光表面以提供表面基本平滑的数据区和具有拓扑特征的着陆区，例如凸起和凹陷。例如参见Nakamura等人的美国专利US5,202,810。但是普通机械纹理化技术具有众多的缺点。例如由于机械磨损形成的碎屑，提供清洁的纹理化表面非常困难。而且在机械操作期间表面不可避免地擦伤，导致较差的滑行特性和较高的缺陷。这种引起擦伤和凸起的粗糙机械抛光难以为随后淀积合适晶向的磁性层获得合适的数据区衬底。此外，各种所需的衬底难以通过机械纹理化处理。这种机械纹理化不需要的限制面实际上将许多用作衬底的材料排除在外。
介质表面影响性能的一些重要参数是粗糙度级别(Ra)和滑行跌落。粗糙度级别是表面平均粗糙度的量度而滑行跌落是飞行磁头可以接近表面的量度。图1示出了介质表面示意性的下滑测试曲线，介质表面通过机械抛光技术纹理化为粗糙度级别Ra＝7.2埃。根据测试，这种表面的滑行跌落低于0.6微米(0.55微米左右)。
Winchester型滑块的飞行性能主要受靠近粗糙度曲线低频部分的微波纹影响。图1示意性表面曲线的低频曲线示于图2。机械纹理化形成的凸起的尺寸在磁盘径向200微米范围变化巨大。图2中最大的凸起为50埃高，而其他凸起的高度小一些。表面轮廓因此是随机的轮廓，峰的数量没有规定，凸起的高度和谷的深度也没有限定。由于影响滑行跌落的主要因素是低频曲线和表面最大总体高度，所以机械抛光形成的低频曲线随机性导致不可预测的滑行跌落和飞行磁头性能。由于该参数代表了平均值并且不一定反映表面峰与谷的程度和数量，所以即使总体平均凸起体为7.2埃也是如此。
另一种纹理化着陆区的机械纹理化技术包括利用聚焦在非磁性衬底上表面的激光束。例如参见Ranjan等人的美国专利US5,062,021，其中所揭示的方法包括抛光镀NiP的Al衬底至境面成品，随后在使脉冲激光能量导向半径限定部分的同时转动磁盘以提供纹理化的着陆区，让数据区保持境面化。着陆区包括多个单独的激光斑点，其特征在于中央凹陷被基本为圆形的边缘包围。
另一种激光纹理化技术参见Baumgart等人的“一种用于高性能磁盘驱动器的新型激光纹理化技术”，IEEE Transactions on Magnetics，Vol.31，No.6，pp.2946-2951，November 1995。也可参见美国专利US5,550,696和US5,595,791。
在1996年6月27日提交的共同待批的美国专利申请08/663,374中，揭示的激光纹理化技术采用多透镜聚焦系统以改进对最终拓扑纹理的控制。在1996年5月9日提交的共同待批的美国专利申请08/647,407中，揭示了一种激光纹理化技术，其中脉冲聚焦激光束通过晶体材料以控制最终凸起之间的间隔。
在共同待批的PCT申请US08/666,373中，揭示的激光纹理化玻璃或玻璃陶瓷衬底的方法采用CO2激光源的激光束。纹理化的玻璃或玻璃陶瓷衬底表面包含多个在衬底表面上延伸的凸起，由于激光纹理化金属衬底的特性，它们并不包围延伸入衬底的谷。诸如脉冲宽度、斑点尺寸和脉冲能量之类的激光参数的效果以及在激光纹理化玻璃或玻璃陶瓷衬底凸起高度上的衬底成分参见Kuo等人题为“玻璃和玻璃陶瓷衬底上激光区纹理化”的文章，发表在磁记录会议(TMRC)，Santa Clara，California，August 19-21，1996。
在1997年2月7日提交的共同待批的美国专利申请08/796,830中，揭示了一种激光纹理化玻璃或玻璃陶瓷衬底的方法，其中通过控制激光形成凸起固化期间的猝灭速率控制凸起的高度。揭示的其中一种控制猝灭速率的技术包括在暴露于第一激光束时预热衬底，随后将预热衬底暴露在聚焦的激光束下。
虽然激光纹理化技术被证实具有一定的优点，但是它们没有在纹理化介质表面超精细图案以在确保总体摩擦下滑性能前提下获得超低析出物高度时采用。为了确保摩擦下滑性能，需要使延伸的析出物表示的波纹高度均匀。
发明内容
需要一种纹理化数据存储介质表面的方法以提供超低滑行跌落但是又确保轻负载、低下滑滑块的总体摩擦性能。
需要一种数据存储介质，它具有超低下滑和摩擦特性的介质表面，还需要制造装置。
本发明满足了各种需要，它提供的布局包括激光和用激光在表面上形成纹理图案的装置。在本发明的某些实施例中，形成纹理图案的装置包括调制激光输出的激光能量的调制器和控制调制器输出的激光能量调制的随机信号发生器。
本发明的一个优点是本发明的激光微加工装置可以随机形成延长的凸起体。例如可以沿圆周方向200微米间隔使凸起体高度较低(例如50埃左右)，在径向每200微米多次循环，并且平均水平—垂直比为4000∶1。这些示意性参数与当前激光纹理化凸起的100∶1的比率相比比较好。由于在介质表面没有深谷，所以空气湍流较少并且凸起体尖端润滑更容易。而且均匀的波纹高度(凸起体高度)在飞行的滑块下提供更稳定的空气轴承座，当滑块位于表面上时，在滑块与介质表面之间接触均匀。因此即使凸起体较低，也确保了轻负载低下滑滑块的总体摩擦性能。
本发明的另一方面满足了前述需要，它提供了在数据存储介质表面制造具有超低下滑和摩擦性能的超精细纹理图案。在该方法中，激光束被随机调制并且聚焦在数据存储介质表面以在介质表面形成随机延伸的凸起体。在这种方法下，形成的介质表面表现出在介质表面(例如磁盘)径向具有规则凸起体高度、规则间隔而在圆周方向具有限定随机性的均匀性。
本发明的另一方面也满足了前述需要，它提供了具有纹理化介质表面的磁记录介质。纹理化表面上形成的凸起的平均水平—垂直比率大约为4000∶1。在本发明的某些实施例中，凸起的总体高度(或凸起体)为50埃左右，并且沿圆周方向是200微米的周期间隔而在径向每200微米有多个周期。表面的特征是在介质表面径向具有规则凸起体高度、规则间隔而在圆周方向具有限定随机性。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的前述和其他特征和优点。
附图的简要说明
图1为按照现有技术的机械纹理化磁记录介质表面的表面轮廓曲线。
图2为按照现有技术的具有图1表面轮廓的机械纹理化磁记录介质表面的低频曲线。
图3为按照本发明实施例的纹理化磁记录介质表面的低频曲线。
图4为图3磁记录介质表面三维表示。
图5为按照本发明实施例制造的延伸凸起体的三维微观照片。
图6为按照本发明实施例的布局的示意图，用于激光纹理化磁记录介质以产生超低滑行跌落介质表面。
实施发明的较佳方式
本发明着眼并解决控制磁记录介质表面纹理的问题，从而提供超低滑行跌落(例如小于0.6微米)但是以可控制和重复方式。
图1示出了现有技术机械纹理化诸如磁盘之类磁记录介质超精细表面轮廓的二维示意图。机械抛光衬底形成图1的表面轮廓显示有许多非常高的峰和非常低的谷。由于在机械抛光期间采用浆料，所以图案无法控制。图2示出了表面谱的低频曲线。如图所示，在径向200微米范围内，有高度和深度变化的5个峰10和谷12。200微米范围内最高的峰10为50埃。因此在机械抛光下，可以获得平均粗糙度Ra为7.2埃而滑行跌落为0.55微英寸的介质表面。但是由于图案的随机性，当峰10的凸起体高度随机变化时，飞行滑块下的空气轴承座不够稳定。而且当滑块依靠在介质表面上时滑块与介质表面的接触不均匀。谷12深度的变化引起了另一个问题，它使凸起体的峰10的润滑有问题。而且深谷12为滑块形成更多的空气湍流。
图3示出了按照本发明的激光纹理化磁记录介质表面轮廓的二维剖面图。峰14的高度约为50埃。在200微米范围内，沿径向提供了规定数量的峰和谷。在图3示意性的实施例中，在200微米周期内(或范围内)，有3个峰14和2个谷16。显然，在本实施例中，峰14的高度均匀地为50埃。峰14的均匀波纹高度或凸起体高度提供了飞行滑块下非常稳定的空气轴承座，并在滑块依靠在介质表面上时在滑块与介质表面之间提供了均匀的接触。
表面轮廓由图3示出的磁记录介质低频曲线表明的另一个特征是谷16不是很深。没有深谷使得凸起体峰14的润滑相对容易。而且与低频曲线表明谷较深的现有技术相比减少了空气湍流量。磁记录介质表面的激光纹理化提供了超低的滑行跌落。例如在图3的实施例中，介质表面的滑行跌落低于0.6μ″或150埃。现有的表面激光纹理化对于滑行跌落局限于200埃。在沿径向200微米的多周期下，平均水平—垂直比率为4000∶1。与现有激光织构的凸起体大约100∶1的平均水平—垂直比率相比，比较好。
图4为按照本发明实施例的介质表面激光纹理化三维图。该表面纹理化后的滑行跌落大约为0.55μ″。与图3的实施例一样，沿径向R的周期18为200微米。在每个周期18内，有3个包含峰14和谷16的凸起体。这些周期沿径向R重复。圆周方向(箭头C)内的周期间隔在图4所示实施例中也为200微米。圆周方向C上的周期间隔在图4中用标号20表示，与径向R上规则的周期间隔18不同，圆周方向C上的周期间隔20是在分布上更为随机。
圆周方向上有限的随机性有利的原因是它消除了操作期间的共振。当磁盘旋转时，圆周方向C上凸起体的随机性避免了影响滑块或飞行磁头的共振。在磁盘径向上共振没有那么严格。这是因为磁头相对磁盘表面径向的行进速度没有沿磁盘圆周方向旋转速度快。因此介质表面径向R的周期间隔18可以是规则的间隔。
图5为示意性激光纹理化凸起体22的微观照片，凸起体沿圆周方向C延伸。单个延伸凸起体22的高度约为50埃，并且长度L和宽度W可以根据盘片纹理化布局的合适结构调整。
图6为用于激光纹理化表面的激光光学系统的示意性实施例，它提供了超低滑行跌落介质表面。激光光学系统30包括连续波激光器32，它产生激光输出。该输出随后由调制器34调制。在本发明较佳实施例中，调制器34为声—光调制器，用来调制激光器32输出的激光束。调制方式可以有多种，在本发明的较佳实施例中，调制是随机的。为此，随机信号发生器36通过控制调制器34来控制激光束的调制。随机信号发生器36在随机时刻产生控制信号以使调制器34以随机方式对连续波激光器32产生的激光束脉冲化。
调制器34调制的随机脉冲激光束由光束展宽器38接收，它展宽和准直激光束。展宽的准直激光束通过孔径40并通过聚焦透镜42聚焦在被纹理化的表面。
在本发明某些较佳实施例中，表面的记录介质是诸如磁记录磁盘44之类的磁记录介质。为了沿径向R等间隔而在圆周方向C上以有限的随机性产生凸起体，圆盘44固定在以两种不同方式移动的转轴46上。转轴沿图6所示箭头B旋转。与此同时，移动转轴46以沿图6垂直方向(箭头A所示)平移磁盘44表面。即，改变数据存储介质表面在作平移时相对于随机调制激光束的相对位置，从而使激光束在数据存储介质表面上的焦点沿数据存储介质表面的径向进行移动。显而易见，为了沿径向提供规则的间隔，转轴46和磁盘44沿箭头A方向的移动可定时完成。通过利用随机信号发生器36和调制器34脉冲化激光束在圆周方向C形成随机性。因此当沿箭头B方向旋转时施加在磁盘44表面的激光束能量以随机脉冲方式施加。凸起体随机地沿圆形磁道位于磁盘44表面。如上所述，这种有限的随机性避免了共振的产生，它在磁盘驱动器工作期间会引起滑块或飞行磁头振动。
应该选择连续波激光器32产生的激光束波长以在待纹理化表面利用热膨胀效应产生随机延伸的凸起体。例如当带纹理化表面是镀镍衬底时，1064纳米波长的激光是合适的。如果带纹理化表面是玻璃和/或陶瓷衬底，则利用10纳米波长的激光作为连续波激光器32是合适的。如果是其他类型的材料，本领域技术人员将选择合适波长的激光器32来按照本发明纹理化衬底。
本发明提供了形成可控、可重复的纹理图案的超低滑行跌落介质表面的方法和装置。
本发明的较佳实施例和实例只是示意性质的。本领域技术人员在不偏离本发明范围的前提下可以对本发明作各种修改，因此本发明由后面所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种纹理化介质表面以在表面随机产生延伸的凸起体的装置，其特征在于包括：
产生激光输出的激光器；
接收激光器输出并调制激光器输出的调制器；
与调制器耦合的随机信号发生器，用来控制对调制器输出的激光的调制；以及
使经调制的激光输出聚焦在表面上的聚焦装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括位于调制器与聚焦装置之间的光束展宽器，光束展宽器展宽从调制器输出的调制激光。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调制器为声—光调制器，所述激光器为连续波激光器。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述聚焦装置包括孔径和聚焦透镜，孔径位于光束展宽器与聚焦透镜之间。
5.一种在数据存储介质表面产生具有超低滑行和摩擦性能的超精细纹理图案的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
随机调制激光束；以及
将随机调制的激光束聚焦在数据存储介质表面以在数据存储介质表面形成随机延伸的凸起体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，它还包括，改变数据存储介质表面在作平移时相对于随机调制激光束的相对位置，从而使激光束在数据存储介质表面上的焦点沿数据存储介质表面的径向进行移动。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它还包括在激光束焦点下旋转数据存储介质表面从而使随机调制的激光束形成随机延伸凸起体。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，随机调制激光的步骤包括以声—光方式调制激光。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，随机调制步骤包括产生控制激光的声—光调制的随机信号，或者包括根据随机信号以声—光方式脉冲化激光束。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，它还包括改变激光束在数据存储介质表面的相对位置以在数据存储介质表面一个方向形成规则间隔而在另一方向形成有限随机性的凸起体。
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