CN1177168A - 磁头的表面改性 - Google Patents

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Abstract

在等离子体中改性施于基体上的诸层的最外原子层的方法,该方法能在基体上产生以共价键固定结合的CF3基团。本发明不涉及有限定厚度的层的应用,而是对表面进行调整以预定所要求的吸附和滑移性能。在最小化学改变的同时发生了物理参数的最大改变。

Description

磁头的表面改性
本发明的问题涉及普通磁盘驱动器(硬磁盘)以及特别是磁盘和磁头的排列。本发明特别涉及磁头的表面改性。
磁盘是容量极大的数据存储器。在一约95mm大小的磁盘上可以存储将近4亿个字符(字节)。
磁盘除了有高的存储密度外，还须有准确的机械和摩擦学特性。在近期的应用中，磁盘的运动速度接近5400转/分。这就是说磁盘外周的速度高达100km/h，其中写/读头距磁盘表面仅有万分之几毫米。
只有最精确的制造和统计学工艺控制才能达到这些质量要求。
自从生产出有低悬的磁头的硬磁盘驱动器以来，这些硬磁盘配有滑润剂以防止摩擦、磨损和损坏(摩擦学效应)。滑润剂(一般是直链或支化的全氟化聚醚)首先施于磁盘上，以确保均匀的表面分布。这种配置从例如DE-AS-2839378和EP-A-0123707得知。
其它的体系基于一个选择性蒸汽压储存器，其中在驱动器中导入了附加的可汽化滑润剂，以便使其从汽相凝结到临界区上。
如果现在将磁头用于用此方式润滑的磁盘并启动驱动器，则磁头通过从磁盘到磁头的分子转移被磁盘外层上的滑润剂“污染”，这样便得到了一层滑润剂。
在硬盘界面的这种磁头和磁盘配置中，通过的空气流也遇到两个氟化表面。由于润滑层的自憎特性，磁头和磁盘间偶然接触所传递的能量被减少到最低限度。
由于有机物质的亲合力、可能的沉积和凝聚产物大大地降低，磁头的润滑也有附加的优点，即滑润剂起着化学表面保护剂的作用。
US-A-5,409,738叙述了一种由基体、拾取相应数据的薄膜、磁层上的保护层以及置于该保护层上的润滑剂层组成的记录媒体。通过在等离子体中进行表面氧化聚合制得主分子链与保护层化学连接的产品。用这种方法能避免诸如水和有机结合物之类的杂质进入磁盘和滑润剂之间。此方法的缺点是，在基体的表面产生了一附加的不连续层，它代表一附加的界面并能非常容易地污染磁头，磁头便不能用滑润剂润湿。
在较新的硬磁盘驱动器中，磁头与磁盘间的距离甚至更小，以便能达到更高的存储密度。这自然对磁盘和磁头间界面的摩擦学特性有甚至更高的要求。为了改进表面硬度，在基体表面上使用了一层类似于金刚石的碳层(碳涂层)，在碳层上用滑润剂作为最终层。使用这种方法减少了磨损，并在磁盘上得到了光滑的层。
由于滑润剂是通过硬磁盘驱动器的运转自动涂覆的，所以磁头额外“所需的”润滑在以前并不必需。已经发现，有意的磁头预润滑增加了一已知存在的问题，那就是静摩擦。
磁头的临界表面是先被滑润剂润湿还是先被污染尤其取决于吸附率。一般地说，在这种竞争过程中，其一是排除过程，即如果是以拾取污染物小滴(例如油滴)为主，那么用滑润剂润湿便愈是不可能，因为此时表面已比较强地将其亲合力改变至拾取油滴。此过程朝一个方向或另一方向倾斜。这也称为自动催化亲合。
如果拾取油滴，则通过空气的流动它们将聚积在磁头的后边。当磁头停止在磁盘上运动时，油滴将会由毛细管吸引作用沿磁头的下侧吸入磁头和磁盘的间隙之间，并因此将磁头粘在磁盘上(玻璃盘效应)。如果磁头有足够长的时间没有运动，而且粘着效应相应地较强，此观象可导致磁头从磁头夹上脱落并对磁盘造成不可挽回的损坏。
由于对更大存储密度和更小的写/读距离的日益增加的界面最佳化，现在似乎这种最佳化已达到了极限，因为在磁盘驱动器的最初使用过程中滑润剂不再足够快地从磁盘转移到磁头。申请人最近的分析观察显示，取决于所选定的写/读距离，并在运转了数周的条件下，在磁头上无痕量滑润剂存在，也几乎没有封闭的层存在。另一方面，在运转的最初几个小时中，测得了所有类型的污染物如增塑剂，粘合剂和弹性体等的脱气产物，它们可对驱动器的工作造成损害，并可由于静摩擦而导致故障。
由于上述的静摩擦问题而不能在读头上直接引入润滑层，另一方面由于缺乏保护层导致了污染物的拾取并因此导致恢复的静摩擦，因此存在着开发一种方法的必要，这种方法能使磁头的碳涂层上加上一层润滑层同时又没有静摩擦效应的缺点；此外，在磁头上应不必有另外的层，因为与硬碳涂层相比，这种涂层柔软并因此还会引起进一步的污染。
因此本发明的任务是提供一方便的方法使磁头的金刚石型层的外原子层按下述方式进行改性，即一方面达到对所用滑润剂有大的亲合力，另一方面又对污染物有低的亲合力。
本发明的另一任务是使这种方法不需要施用附加层就得以利用。
另外，本发明的任务是使物质吸附的自动催化过程从一开始起就按正确方向进行。
这些和其他任务由根据权利要求1的本发明方法和根据权利要求7的层来解决。
本发明的其他有利形式在从属权利要求中说明。
必须注意，本发明不限于具有金刚石型涂层的磁头，并且还能普遍用于施于基体的诸层的外原子层的改性。使用这样的硬磁盘界面可解释为只是为了方便。各参数可根据基体和施于其上的诸层而变化。专家在经过简单的实验后可得知正确的参数。
本身已被证明作为润滑剂的全氟聚醚的最重要官能基是-CF2-和-CF3基团，它们在滑移性和亲合力方面给予滑润剂和被润滑的表面以“特氟隆样”的特征。在使用本发明时，这些基团通过改性碳涂层在磁头上直接产生。
用这种方法，在基体表面上产生固定的共价键，确保与基体有最好的化学结合。
此外，本发明方法避免了在改性的表面上形成长聚合物链，从统计学上讲每个碳原子上形成的长聚合物链远比与基体的键合少。使用本发明方法时，具有特别大量的在表面上固定的键的最大数目氟原子被俘获，而不是被转移至封闭层。
为了尽可能均匀地改变磁头的表面并避免形成诸如用化学浸渍或冷凝法形成的小岛效应(这将导致在功能上不可行的表面不均匀性和边界层效应)，游离基和离子等离子体方法是特别适合的。
这类方法通常是在等离子体室中或等离子体反应器中进行的，这样的等离子体室原则上以两种不同的模式工作。如果，例如在某一压力和某一射频(RF)发生器输出下使用气体如SF6等，则等离子体室以蚀刻模式工作，即在某些条件下，待加工的基体表面被侵蚀掉(RIE-反应性离子蚀刻)。
另一方面，如果也在某一压力和/或RF发生器输出下使用烃类如CH4，则会有附加的层沉淀在基体上(CVD-化学蒸汽淀积)，因此等离子体室以淀积模式工作。
如果等离子体室是以两种模式处于平衡的方式工作，则可达到蚀刻和淀积处于平衡的状态。
这样就容许等离子体室的工作方法设定在根本上是决定性的参数(这些参数是压力、气体组成和RF发生器输出)，因此既没有太多的蚀刻也没有太大的淀积发生，而只是活化了待加工的基体表面。
如果，例如在压力为约2×10-3毫巴(mbar)至约8×10-3毫巴，优选6×10-3毫巴和RF发生器输出为约100瓦(W)至约250瓦，优选150瓦的条件下使用氩作为反应气体，则基体的上边界层将首先被氩离子(Ar+)活化(预处理)，于是某些官能基团就能容易地与此活化的表面键合。
在等离子体加工的最后，基体表面有非常多的反应性位置，并因而有高度的反应性。如果停止此过程，上层便通过例如再结合过程和与周围的分子反应而自动使自身稳定。如果不使此过程任其自然，而是在限定的条件下“扑灭”等离子炬，即特定供应附加的氟化气体，则上原子层将相应地被此气体受控改性。例如在本发明中使用10％范围的CHF3作为混合气体的附加组分，但也可使用其它含氟气体。此中根据反应方程式(a)，基体用结合分离进行改性，因此附加气体的CF3-基团被基体材料所获取。通过二级反应也获取了-CF2-和-CF-基团，但只有较小的程度。以此方式，基本材料的表面张力按如下方式改变，即增加了对滑润剂的亲合力，并同时对杂质的亲合力低。此现象使用润湿角测定法可明显地测定和控制。因此，启动磁盘驱动器时，在磁头被杂质污染以前滑润剂就能附着到磁头上。
Figure A9711156800071
使用分析表征法(ESCA、激光-ICR、润湿角测定法)可以证明所需基团仅在碳基体的表面形成。此改性(仅在外原子层)足以完成所要求的表面张力变化。甚至是深思熟虑创造的有限定厚度的层均不显示更为有利的表面张力的改变。此外，这些层由于可能的磨损和可能的污染危险而是不需要的。将用这种方法改性的磁头安装在硬磁盘驱动器中并进行静摩擦试验，30天后硬磁盘驱动器未显示出高马达电流，而高马达电流是静摩擦的指征。
实施例
首先用反应性离子蚀刻法和离子束蚀刻为磁头的飞行质量产生决定性的表面几何形状。为保护磁头不受机械磨损和化学腐蚀，在磁头上施加一层金刚石类型的碳质薄保护层(碳涂层，COC)。在该方法的最后，用本发明方法改性该COC层的上原子层以改进此层的选择性粘附质量和相关联的磁头在极薄膜盘上的较好滑移性。
在此方法中，在100-250W(优选150W)的发生器输出下在约20-40sccm(优选20sccm)氩和40-2000scm(优选200sccm)CHF3的气体混合物中点燃等离子体，这样基体的表面即被改性。
COC层的施加和表面的改性可一个在一个之后立即进行或以二级法进行，其中等离子体室被再调节到相应的压力和组成比。后一工作方法产生可再现的结果并使该方法独立于以前的工艺条件。
本发明所述方法的优点是，由于只有基体的外原子层的改性，所以不需要有附加层的沉积，而附加层也能成为杂质源；另外也不存在附加的磁间距(磁性层与固定高度的写/读元件之间的有效距离)。再者使用此方法可具体控制表面参数如吸附、解吸和滑移，而不损失碳涂层的正面特征。未测到它的硬度变化。本发明方法的另一优点可见于这一事实，即进行此方法时不要求另外的设备。
本发明所述的调整摩擦层的表面改性不仅可用于磁头的碳涂层，也可以应用于例如硬磁盘的碳层。
使用CHF3的改性方法的其他应用可能性可在胶和粘合剂技术以及随后聚合的调节中找到。此方法在此首先用于检查基体和涂层之间的界面，因此预先限定了第一原子层的结合。
使用其他氟化气体是同样可能的。但在反应物中必须至少有一个氢原子。

Claims (8)

1.在等离子体室中改性基体上诸层的外原子层的方法，其特征在于从根本上决定等离子体室工作方法的参数，即压力、气体组成和RF发生器输出互相匹配，因而等离子体室在蚀刻和气相淀积间的平衡状态下工作；气体组成中含至少一种能从化学/物理上活化基体表面的气体和至少一种带有在等离子体中是反应性的并能与该活化表面化学键合的组分的气体。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于基体是磁头。
3.权利要求2所述的方法，其特征在于施于基体上的层是金刚石类型的层(碳涂层)。
4.权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于活化气体是惰性气体，而结合气体是氟化气体。
5.权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于压力是2×10-3一8×10-3毫巴，优选6×10-3毫巴，而RF发生器输出是100-250瓦，优选150瓦。
6.权利要求4所述的方法，其特征在于惰性气体是氩，氟化气体是CHF3。
7.施于基体上的层，其特征在于只有此层的最外原子层具有含氟的部分官能基。
8.权利要求7的层在硬磁盘驱动器中作为磁头的表面的应用。
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