CN1338746A

CN1338746A - 曲面结构的制造方法

Info

Publication number: CN1338746A
Application number: CN01118831A
Authority: CN
Inventors: 西原宗和
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2002-03-06
Also published as: SG87214A1; JP2002004043A; KR20010113536A; US20020015259A1

Abstract

本发明公开了一种结构,其能够用作包括磁头在内的电子器件,光学器件,或精密零件并具有一个结构主体。在结构主体的一个表面上通过喷镀形成有薄膜。结构主体通过薄膜的内应力弯曲,由此使结构主体的一个表面和与该表面相对的另一个表面成为曲面。

Description

曲面结构的制造方法

本发明涉及一种制造具有曲面的结构的方法。这种结构能够用作包括磁头在内的电子器件，光学器件，精密零件等器件。尤其是，本发明涉及一种制造曲面结构的方法，同时不改变该结构的特性。

近年来，为了满足作为功能器件的复杂功能和低成本的要求，具有薄膜等功能膜层的结构常用作电子器件。使用了功能膜层的电子器件的器件结构由于是通过将原子级的特殊材料层叠起来制成的，因此这些电子器件对处理环境具有很高的敏感度。由于这种敏感度，因此在进行成形等后处理工作时需要避免对器件造成损害。

例如，在薄膜磁头的制造中成形曲面时，后处理时进行的精研等研磨会引起这样的问题，即由于研磨过程时产生的形状变化会导致器件特性和功能的改变。

与此有关，日本专利No.2,552,068的说明书中公开了通过有选择的成形来控制结构的曲面，其中这种有选择的成形使用了激光处理和喷砂处理。另外，日本公开出版物No.HEI 1-30,082中公开了在加热条件下和后继的结构冷却到常温下通过在结构上形成不同热膨胀系数的材料层来形成曲面。

参考图6和图7，下面对制造曲面结构的传统工艺的上述实例进行描述。在图6所示的第一个例子中，通过结构1的能量成形，如激光和喷砂2，使结构1成形为弯曲的形状。在图7所示的第二个例子中，将结构1放置在加热室3内(如图7A所示)并且在加热条件下在结构1上形成热缩材料层4(如图7B所示)。然后将加热室3冷却到常温，结果结构1成形为弯曲的形状(如图7C所示)。

然而，由于上述传统曲面成形处理采用了精研和喷砂等研磨处理或激光处理和加热等热加工，因此存在的问题是，对于具有敏感器件功能的结构来说，结构的器件特性受到了损害和破坏，并且其功能膜层也不能发挥其固有的作用。

本发明的目的在于提供一种制造曲面结构的方法，并且不使用研磨处理和热加工。

本发明的第一方面是提供一种制造曲面结构的方法，该方法包括：提供一种结构主体；通过喷镀在结构主体的一个表面上形成薄膜以通过薄膜内产生的内应力使结构主体弯曲，由此结构主体的一个表面和另一个表面形成为曲面。

根据本发明的第一方面，由于制造该结构没有采用研磨处理和热加工，因此能够得到可以完全发挥其自身功能的曲面结构，并且不会损害器件的特性，即使结构的器件功能是敏感的。

构成薄膜的材料最好是具有不低于40和不超过240的原子量。通过采用具有该范围原子量的材料，形成的薄膜具有足够的内应力，因此能够确保结构的形成，同时结构的表面具有必要的曲率。

在通过喷镀形成薄膜期间，曲面的曲率能够通过压力调整。特别是，通过把压力设定的比预定压力高，与上面形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面，通过通过把压力设定的比预定压力低，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面。

另外，通过喷镀形成薄膜是在真空室内进行的，表面的曲率能够通过薄膜形成之前真空室内的初始压力来调整。特别是，通过把初始压力设定的比预定压力高，与上面形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面，通过把初始压力设定的比预定压力低，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面。

通过喷镀形成薄膜是通过对与结构主体相对的一个目标施加电压进行的，表面的曲率能够通过施加到目标上的电压调整。特别是，通过把电压设定的比预定电压高，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面，通过把电压设定的比预定电压低，与上面形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面。

优选的是，在薄膜形成期间对结构主体进行冷却。通过这种冷却能够防止薄膜形成期间结构温度的升高。

例如，结构主体为Al₂O₃-TiC基底，喷镀期间结构主体的温度不低于20℃，并且不超过50℃，喷镀期间真空室内的压力不低于0.5Pa，并且不超过5.0Pa，薄膜由钽(Ta)或铬(Cr)组成。

本发明的第二方面是提供一种制造磁头的方法，该方法包括：提供具有单个或多个内置器件的磁头基底；通过喷镀在磁头基底的一个表面上形成薄膜以通过薄膜内产生的内应力使磁头基底弯曲，由此磁头基底的一个表面和另一个表面成为曲面，其中的凸面作为磁头表面。在薄膜形成后可以将磁头基底切割分成多个磁头。

本发明的第三方面是提供一种具有曲面的结构，该结构包括：结构主体；通过喷镀在结构主体的一个表面上形成的薄膜，其中结构主体通过薄膜的内应力弯曲，由此使结构主体的一个表面和与该表面相对的结构主体的另一个表面成为曲面。

本发明的第四方面是提供一种磁头，该磁头包括：具有单个或多个内置器件的磁头基底；通过喷镀在磁头基底的一个表面上形成的薄膜，其中磁头基底通过薄膜的内应力弯曲，由此使磁头基底的一个表面或与该表面相对的磁头基底的另一个表面成为用作磁头表面的凸面。

从下面结合附图对优选实施例的详细描述中，本发明的目的和优点将会更清楚，其中：

图1为根据本发明实施例用于制造曲面结构的方法中的喷镀设备示意图；

图2A为薄膜形成之前的磁头基底的透视图；

图2B为具有薄膜的磁头基底的透视图；

图2C为被薄膜的内应力(张力)弯曲的磁头基底的透视图；

图2D为磁头基底切割过程的透视图；

图3A为图2A沿线III-III的剖视图；

图3B为图2B沿线III’-III’的剖视图；

图3C为图2C沿线III”-III”的剖视图；

图4A为薄膜形成之前的磁头基底的透视图；

图4B为具有薄膜的磁头基底的透视图；

图4C为被薄膜的内应力(压力)弯曲的磁头基底的透视图；

图4D为磁头基底切割过程的透视图；

图5A为图4A沿线V-V的剖视图；

图5B为图4B沿线V’-V’的剖视图；

图5C为图4C沿线V”-V”的剖视图；

图6为曲面结构的传统制造方法的示意图；

图7A-7C为曲面结构的另一个传统制造方法的示意图。

下面参考附图对本发明曲面结构的制造方法进行详细的描述。

图2D和图3C，图4D和图5C分别示出了一种磁头31，其为本发明具有曲面的结构。该磁头31包括结构主体或磁头基底32和通过喷镀在磁头基底32的一个表面32a上形成的薄膜33。磁头基底32由Al₂O₃-TiC组成并具有内置器件34A和34B。薄膜33由钽(Ta)或铬(Cr)组成。

磁头基底32通过薄膜33的内应力弯曲，由此上面形成有薄膜33的一个表面32a和与表面32a相对的另一个表面32b都成为曲面。

在图3B和3C所示的实施例中，内应力δ1为张力。内应力δ1导致产生作用在磁头基底32上的变形力，因此与薄膜33相对的另一个表面32b成为凸面。另外，成为凸面的另一个表面32b构成了磁头表面，在该磁头表面上形成有空气轴承面35。另一方面，在图5B和5C所示的实施例中，内应力δ2为压力。内应力δ2导致产生作用在磁头基底32上的变形力，因此具有薄膜33的一个表面32a成为凸面。另外，成为凸面的一个表面32a构成了磁头表面，在该磁头表面上形成有空气轴承面35。

图1所示为用于制造磁头31的喷镀设备的例图。

真空室11内装有基底固定器12。该基底固定器12以这样的方式固定磁头基底32，即由于内应力δ1和δ2引起的磁头基底的变形是容许的。另外，基底固定器12通过驱动单元13上下移动。

基底固定器12具有冷却水通道12a。在冷却水通道12a内，从冷却水源14供给的冷却水进行循环，由此在喷镀期间对磁头基底32进行冷却。通过将基底固定器12的体积设定的足够大，其可以具有大的热容量。

在真空室11内，安装有与基底固定器12相对的目标15。目标15与电源17连接。尽管在该实施例中电源17使用的是直流电源，但是如果目标15是由电绝缘体组成的也可以使用高频电源。在基底固定器12与目标15之间安装有闸门18。闸门18通过驱动单元19开启和关闭。

用于排放的真空泵21经阀22与真空室11的内部相连。另一方面，真空室11上的进气口23经阀24与气源25相连。处理气体从气源25经阀24供给到真空室11的内部。

控制器27控制基底固定器12的驱动单元13，冷却水源14，电源17，闸门18的驱动单元19，阀22和24，真空泵21，及气源25。

下面以图2D和3C所示磁头为例对用于制造磁头的方法进行描述。

图2A和2B所示栅状的磁头基底32同基底固定器12固定，一个表面32a朝下。在磁头基底32的另一个表面32b上预先形成有空气轴承表面35。

然后，为了调整薄膜厚度分布的精度，基底固定器12通过驱动单元13上下移动以根据磁头基底32的布置面积来调整磁头基底32与目标15之间的距离。

此后，排放真空室11内的气体直到真空室11内的压力达到预定的压力(初始压力)。在该实施例中，真空室11的气体排放一直持续到初始压力达到大约10^-3Pa为止。另外，诸如氩气(Ar)的处理气体从气源25经进气口23被导引到真空室11的内部。在这些过程中，从进气口23导入处理气体的流速和通过真空泵21排放的流速设定的相同，由此真空室11内部的压力保持恒定。该恒定的压力就是薄膜形成期间的压力。

下一步，保持闸门18关闭，将电源17供给的电压作用到目标15上以便产生等离子放电。为了清除目标15上的物质，如氧化物，稳定的等离子放电要维持几分钟。此后，打开闸门18，由此在磁头基底32的一个表面32a上形成了喷镀膜或薄膜33，如图2B和3B所示。薄膜33的厚度设定的不超过1μm。如图2C和3C所示，由于内应力δ1的作用，磁头基底32被弯曲并且与薄膜33相对的另一表面32b成为凸面。

由于能量从喷射微粒传递给磁头基底，因此通过喷镀形成薄膜的长的持续时间会造成磁头基底的温度升高。然而，在该实施例中，通过冷却水对基底固定器12的冷却和基底固定器12的大热容量能够降低磁头基底32的温度升高。尽管磁头基底32的冷却效果依赖于其材料，但是将磁头基底32冷却到不超过50℃的温度能够防止由于加热对器件34A和34B特性造成的损害，即使这些器件34A和34B是敏感的。

在完成薄膜33的形成后，将磁头基底32从真空室11内取出。接着，通过图2D中所示的线C将磁头基底32切割分离成各个磁头31。例如，利用划片机完成对磁头基底32的切割。

除了空气轴承表面35是在完成薄膜形成后制成的，图4D和5C所示的磁头31也可以通过上述制造图2D和3C所示磁头31的方法制造(参考图4A-4D和图5A-5C)。

如上所述，内部应力是张力或是压力会使得磁头基底32的弯曲方向不同，即一个表面32a和另一表面32b中的那一个会成为凸面。另外，内应力越大，磁头基底32的弯曲程度越大，该弯曲程度称为一个表面32a和另一表面32b的曲率。相应地，通过在薄膜形成期间对压力，初始压力及施加到目标15上的电压进行控制，磁头基底32的弯曲方向和曲率都能够得到调整。

首先对通过薄膜形成期间的压力进行的调整进行描述。

薄膜形成期间的压力可以通过真空泵21和/或气源25进行调整。特别是，当从气源25供给的处理气体的流速相对于真空泵21排放的流速增加时薄膜形成期间的压力增高。相反，当从气源25供给的处理气体的流速相对于真空泵21排放的流速降低时薄膜形成期间的压力降低。

利用薄膜形成期间压力的增高，从目标15到磁头基底32的一个表面32a上的各个微粒的能量降低。由此，当薄膜形成期间的压力高时，薄膜33的密度就低并且构成薄膜33的原子之间的吸引力对磁头基底32具有很大的影响。这会导致薄膜33的内应力为张力δ1(参考图3C)并且与薄膜33相对的另一表面32b成为凸面。

另一方面，随着薄膜形成期间压力的降低，从目标15到磁头基底32的一个表面32a上的各个微粒的能量升高。因此，当薄膜形成期间的压力低时，薄膜33的密度就高并且构成薄膜33的原子之间的排斥力对磁头基底32具有很大的影响。这会导致薄膜33的内应力为压力δ2(参考图5C)并且上面形成有薄膜33的一表面32a成为凸面。

换而言之，通过把薄膜33形成期间的压力设定的比预定的压力高，与形成有薄膜33的一个表面32a相对的另一个表面32b成为凸面。相反，通过把薄膜33形成期间的压力设定的比预定的压力低，形成有薄膜33的一个表面32a成为凸面。

下面对通过初始压力进行的调整进行描述。

在利用真空泵21开始排放之前，水分粘在真空室11的内壁表面和磁头基底32上。随着初始压力的降低，水分的剩余量在喷镀开始时降低。相反，随着初始压力的升高，水分的剩余量在喷镀开始时增加。

相应地，当初始压力高时，真空室11内的剩余水分粘在目标微粒上从而产生絮凝。薄膜33的密度由于这种絮凝而降低。这会导致薄膜33的内应力为张力δ1(参考图3C)并且形成有薄膜33的一个表面32a成为凸面。

另一方面，当初始压力低时，不产生絮凝，因此薄膜33的密度升高。这会导致薄膜33的内应力为张力δ2(参考图5C)并且与薄膜33相对的另一个表面32b成为凸面。

换而言之，通过把初始压力设定的比预定压力高，与形成有薄膜33的一个表面32a相对的另一个表面32b成为凸面。相反，通过把初始压力设定的比预定的压力低，上面形成有薄膜33的一个表面32a成为凸面。

下面对通过施加到目标上的电压进行的调整进行描述。

随着施加到目标15上的电压升高，朝向磁头基底32的各个喷镀微粒的能量升高。因此，当施加的电压高时，薄膜33的密度就高。这会导致薄膜33的内应力为压力δ2(参考图5C)并且上面形成有薄膜33上的一表面32a成为凸面。

另一方面，当施加的电压低时，薄膜33的密度就低。这会导致薄膜33的内应力为张力δ1(参考图3C)并且与薄膜33相对的另一个表面32b成为凸面。

换而言之，通过把电压设定的比预定电压高，上面形成有薄膜33的一个表面32a成为凸面。相反，通过把电压设定的比预定电压低，与上面形成有薄膜33的一个表面32a相对的另一表面32b成为凸面。

构成目标15的材料的原子量最好不低于40并且不超过240。这是因为如果原子量低于40，由于喷镀微粒的能量小很难形成具有弯曲磁头基底所需内应力的薄膜。另一方面，如果原子量不低于40，由于喷镀微粒的能量大就能够形成具有弯曲磁头基底所需内应力的薄膜。另外，在这种情况下，磁头基底的弯曲方向和曲率能够通过薄膜形成期间的压力，初始压力，及施加的电压来调整。另外，目标15所用的金属的最大原子量大约为240。

根据本发明发明者的试验，如果结构主体为Al₂O₃-Tic基底，目标或薄膜的材料为钽或铬，并且把Al₂O₃-Tic基底冷却在20℃到50℃的范围内，那么通过把薄膜形成期间的压力调整在0.5Pa到5.0Pa的范围内，Al₂O₃-Tic基底可以被弯曲成具有任何曲率的曲面。

尽管上述实施例是以磁头为例进行描述的，除了磁头，本发明也可以应用于其它器件，如电子器件，光学器件及精密零件等。另外，结构主体的材料也可以为锆(Zr)，铌(Nb)，钨(W)，钼(Mo)，钛(Ti)，镍(Ni)，钒(V)，铁(Fe)，银(Ag)，铜(Cu)，金(Au)。

尽管结合附图对本发明优选实施例进行了描述，需要指出的是本领域的技术人员很容易作出改变和变形。因此，在不脱离本发明的思想和范围内，这些改变和变形都落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制造具有曲面的结构的方法，该方法包括：

提供一种结构主体；

通过喷镀在结构主体的一个表面上形成薄膜以便通过薄膜内产生的内应力使结构主体弯曲，由此结构主体的一个表面和另一个表面形成为曲面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述薄膜的构成材料具有不低于40和不超过240的原子量。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述表面的曲率是由通过喷镀形成薄膜期间的压力调整的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过把压力设定的比预定压力高，与上面形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面；及

其中通过把压力设定的比预定压力低，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过喷镀形成薄膜是在真空室内进行的，及

其中表面的曲率是通过薄膜形成之前真空室内的初始压力调整的。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过把初始压力设定的比预定压力高，与形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面，及

通过把初始压力设定的比预定压力低，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面。

7.根据权利要求1所述的方法，其中通过喷镀形成薄膜是通过对与结构主体相对的一个目标施加电压进行的，及

其中表面的曲率是通过施加到目标上的电压调整的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中通过把压力设定的比预定压力高，上面形成有薄膜的一个表面成为凸面；及

其中通过把压力设定的比预定压力低，与上面形成有薄膜的一个表面相对的另一个表面成为凸面。

9.根据权利要求1所述的方法，其中在薄膜形成期间对结构主体进行冷却。

10.根据权利要求1所述的方法，其中结构主体是Al₂O₃-TiC基底，喷镀期间结构主体的温度不低于20℃并且不超过50℃，喷镀期间真空室内的压力不低于0.5Pa并且不超过5.0Pa，及薄膜是由钽或铬构成的。

11.一种制造磁头的方法，该方法包括：

提供具有单个或多个内置器件的磁头基底；

通过喷镀在磁头基底的一个表面上形成薄膜以便通过薄膜内产生的内应力使磁头基底弯曲，由此磁头基底的一个表面和另一个表面成为曲面，其中的凸面作为磁头表面。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于该方法还包括在磁头基底的一侧上形成薄膜后将磁头基底切割分成多个磁头。

13.一种具有曲面的结构，该结构包括：

结构主体；及

通过喷镀在结构主体的一个表面上形成的薄膜，

其中结构主体通过薄膜的内应力弯曲，由此使结构主体的一个表面和与该表面相对的结构主体的另一个表面成为曲面。

14.根据权利要求13所述的结构，其中所述薄膜的构成材料具有不低于40和不超过240的原子量。

15.根据权利要求13所述的结构，其中结构主体是Al₂O₃-TiC基底，及薄膜是由钽或铬构成的。

16.一种磁头，该磁头包括：

具有单个或多个内置器件的磁头基底；及

通过喷镀在磁头基底的一个表面上形成的薄膜，

其中磁头基底通过薄膜的内应力弯曲，由此使磁头基底的一个表面或与该表面相对的磁头基底的另一个表面成为用作磁头表面的凸面。