CN1925001B

CN1925001B - 具有微纹的磁性读/写磁头及其制造方法

Info

Publication number: CN1925001B
Application number: CN2005100969942A
Authority: CN
Inventors: 上田博国; 马洪涛; 方宏新; 乔晓峰; 乔亨; 朱勇
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: CN1925001A; JP2007066505A

Abstract

一种在磁性读/写磁头的空气支承面(ABS)上形成微纹的方法，包括下列步骤：(a)将复数磁头阵列排列在托盘中，每个磁头包括一个朝上的极尖(pole tip)；(b)把所述托盘装入处理室中，并将所述处理室抽成具有预定压力的真空；(c)将含氧处理气体导入所述处理室中；(d)将所述磁头暴露于所述处理气体中的蚀刻手段(etchingmeans)中并对其表面进行蚀刻而在其上形成明显的两阶结构。本发明也揭露了通过上述方法形成的磁性读/写磁头的结构。

Description

具有微纹的磁性读/写磁头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于硬盘驱动器(HDD)的磁性读/写磁头及其制造方法，尤指一种在磁头的空气支承面(ABS)上形成微纹(micro-texture)的方法。

背景技术

硬盘驱动器正在随着数字设备，诸如数字照相机、数字音频/视频设备甚至数字电视机等需要大容量存储空间的设备的发展而迅速发展。因此，硬盘驱动器的市场需求很大，这种市场需求促使硬盘驱动器向两个方面发展：高的面密度及小的体积。

所述硬盘驱动器包括复数磁盘，每个磁盘表面具有用于记录数字信息的磁性镀层。所述磁性读/写磁头可在所述磁盘的磁性表面上移动而存取其上的数据。高的面记录密度可以通过改善磁盘表面的磁性镀层的性能或减小在磁性镀层上存取数据的磁性读/写磁头的尺寸而获得。减小读/写磁头的尺寸则意味着读/写信号变弱，相应地，磁轨宽度和/或磁轨间距亦相应减小。然而，减小磁轨宽度和/或磁轨间距的关键在于改善读/写磁头的位置控制能力，例如飞行高度的控制能力，其代表当磁头在磁盘表面移动时磁头与磁盘表面的距离，也包括磁头和磁盘表面的保护镀层的厚度和磁头极尖凹陷(recession)等等。

另一方面，降低硬盘驱动器的体积是一个系统工程，不仅要涉及到改变硬盘驱动器各部件的物理尺寸，还涉及到磁头的飞行动力性能的再优化。目前常用的硬盘驱动器是用于台式计算机的3.5”硬盘驱动器和用于笔记本电脑的2.5”硬盘驱动器。而用于便携式数字音频/视频设备的硬盘驱动器的尺寸已经降到1”甚至0.85”。

磁性读/写磁头是硬盘驱动器的关键部件。磁性读/写磁头包括控制磁头飞行高度的陶瓷基体。在所述陶瓷基体的表面采用沉积法或蚀刻法形成诸如“起飞、降落触点”、“气垫面”和负压腔等图案(pattern)。所述磁性读/写磁头还包括排列在所述陶瓷基体上的功能多层结构。所述功能多层结构包括由薄膜磁性写入线圈和巨磁阻电路组成的极尖(pole tips)以及读/写线连接触点或焊接触点。

所述磁性读/写磁头在磁性极尖处具有一个非常平坦的表面。所述平坦的表面通常通过研磨磁性读/写磁头的基体而形成。所述磁头的非常平坦的表面的粗糙度小于0.3nm。研磨程序(lapping process)也可以帮助控制极尖凹陷。

对于小尺寸的硬盘驱动器(一般被称作微型驱动器)而言，磁头基体的表面粗糙度增加，即具有较粗糙的基体表面，目的是为了改善磁性读/写磁头的起飞(take-off)和降落(touch-down)性能。所述磁头基体通常用AlTiC制成，其中AlTiC是Al₂O₃(氧化铝)和TiC(碳化钛)的混合物，包括嵌入Al₂O₃基体相中的岛状TiC颗粒。

美国专利第5,010,429和5,052,099号揭露了采用溅射工艺(sputtering process)形成磁头基体粗糙表面的技术。磁头基体粗糙度的目标高度(从顶端到底部的距离)约为50-300埃，峰值(突出区域)宽度和峰间距离约为5-20微米。这对于微型驱动器来说是不够的，本发明的目的就是提供一种在磁性读/写磁头的空气支承面(ABS)上的改良微纹(micro-texture)，以改善磁头的飞行性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁盘驱动器上的、其空气支承面上具有可提高磁性读/写磁头的飞行性能的低高度微纹的磁性读/写磁头。

本发明的另一目的在于提供一种形成微纹的方法，该方法可通过将溅射(sputtering)或离子束蚀刻(ion beam etching，IBE)应用于常规磁头制造工艺中而实现。

本发明的另一目的在于提供一种形成微纹的方法，该方法不会引起不希望产生的对磁性磁头的电性损毁，同时可维持产品高良率。

为达到上述目的，根据本发明，一种在磁性读/写磁头上形成微纹的方法，包括如下步骤：提供一个具有研磨后的表面的磁头；用等离子或离子束在包含氧气的气体中蚀刻上述研磨后的表面，从而提高微纹的氧化铝基相在粒子状的碳化钛第二相上的选择性，进而形成多个由碳化钛粒子构成顶台阶、氧化铝构成底台阶的两阶结构。所述底台阶到顶台阶的距离大约为10-50埃，相邻碳化钛粒子间的距离大约为0.2-3μm。

本发明还提供了一种空气支承面上形成有微纹的磁性读/写磁头。所述磁头具有比传统磁头更优良的起飞和降落性能。此外，在磁性读/写磁头上制造微纹时不会产生电子损毁现象，产品也可维持高良率。

为使本发明更加容易理解，下面将结合附图进一步阐述本发明不同的具体实施例。

附图说明

图1A-1D为制造本发明磁性读/写磁头的一种流程的示意图；

图2A-2D为制造本发明磁性读/写磁头的另一种流程的示意图；

图3为通过等离子在磁性读/写磁头上形成本发明所述微纹的设备的示意图；

图4为通过离子束在磁性读/写磁头上形成本发明所述微纹的设备的示意图；

图5展示了所述磁头具有微纹的AlTiC表面的形态；

图5A-5E分别展示了本发明所述磁头在不同状态下的微纹。

具体实施方式

附图、特别是图1A-1D展示了在磁性读/写磁头的空气支承面(ABS)上形成微纹的过程，所述磁头可以是30％(pico)的磁头或者是20％的磁头，如前所述，所述磁性读/写磁头可在表面涂有一层磁性材料的旋转磁盘的表面上移动。磁性读/写磁头有一个空气支承面(ABS)，面向磁性记录表面并从该磁性记录表面读取或写入数据。参考图1A，所述磁性读/写磁头10包括一个位于磁盘上且面对磁盘的磁性记录表面(未示出)的表面12。所述表面12通过下述流程被制成ABS。

首先，所述表面12要经过细研磨使其光滑，并且表面粗糙度达到0.2-0.4nm，如图1A所示。然后在研磨过的表面12上镀一层防护层，例如类金刚石碳(DLC)层。接下来，表面12要经历一系列的处理过程，包括光刻(photolithography)和离子蚀刻，从而在表面12上形成用来控制气流和压力的凹槽(或台阶)14。随后在表面12上形成微纹(以阴影线示出)，如图1C所示。接着进行进一步处理而完成如图1D所示的ABS面的加工。

可选择地，如图2A-2D所示，所述磁头10的表面12，在被研磨及镀上类金刚石碳层(参图2A)后，被处理而形成微纹(micro-texture)，如图2B阴影线所示。然后，如图2C所示，在表面12上形成凹槽14(或台阶)，接着进行进一步处理而完成如图2D所示的ABS的加工。

光罩，包括正极性光致抗蚀光罩和负极性光致抗蚀光罩，可在形成微纹的过程中，用于保护表面12上的特定区域，例如磁极尖，从而使微纹不会形成在这些区域上。

传统上可利用化学气相沉积法(CVD)、离子束沉积法(IBD)和滤波阴极电弧法(FCA)在磁性读/写磁头上形成保护层(overcoat)。一般情况下，形成保护层的工艺通常包括三步：预清洗、镀支持层(adhesion layer)和镀类金刚石碳层(DLC)。

所述磁头通常在空气中被清洗，然后装入一个被抽真空的真空处理室中。磁头将被处理的表面在空气中通常会吸收湿气、二氧化碳、甚至清洗磁头时的有机溶剂。预清洗时，通过惰性气体，例如氩进行等离子蚀刻或离子束蚀刻去除将被处理的磁头的表面污染。经过蚀刻过程，极少量材料从磁头基体表面上被去除，而且表面的粗糙度也没有发生显著变化。换句话说，磁头的表面粗糙度(Ra)仍然保持在0.3nm左右。

预清洗后，在磁头被处理的表面上镀上一层支持层。所述支持层最好用硅来形成，因为硅可以使类金刚石碳层(DLC layer)更容易镀上。另外，在镀类金刚石碳层时，甲烷或者乙烯在CVD工艺和IBD工艺作为前驱体(precursor)，而纯石墨柱(graphite cylinder)被用作FCA靶材。

本发明为了在磁头10的AlTiC基底(包括64％的Al2O3和36％的TiC的“磁性读/写磁头基材”)上形成一个微纹而改进预清洗步骤。该步骤可在基本不增加处理时间的情况下利用现有设备完成，这使得本发明的工艺非常实用。本发明能够通过几个常规工艺，包括等离子蚀刻工艺和离子束蚀刻工艺来实现，下面将分别描述。

图3展示了一个进行等离子蚀刻工艺的设备，用于在磁性读/写磁头的基体上形成微纹。以阵列形式排列的磁头，亦称为磁条(rowbar)，被固定在一个运载托盘上，所述运载托盘通过一个装/卸端口102装入所述设备中。在本发明中，使用一个机械手104把运载托盘从装/卸端口102移到所述设备的真空传送室106中。然后，所述真空传送室106被抽成具有预定压力的真空，接着，所述运载托盘被移入等离子蚀刻室108中。

接下来进行等离子蚀刻工艺，其内装有收到的运载托盘的等离子蚀刻室108被抽真空到预定压力，一种处理气体，例如氧气或者氧气-惰性气体的混合气体，经过质量流量控制器(MFC)阀门(没有标出)被引入等离子蚀刻室108中。待处理气体引入后，等离子被点燃。有几种方式可以产生等离子。最常用的等离子就是利用射频电压产生的直接电容耦合等离子或电感耦合等离子。当然，也可以用一些新近发展的方法，例如用电子回旋共振增强微波源来产生等离子。本发明中，形成微纹的关键点在于调节基底偏压(substrate bias)。电容耦合等离子在基底上会产生自偏压，但是对于其他方法，必须在基底上施加额外的电压才能够产生基底偏压。

经过预定时间后，所述等离子被关闭。时间的设置取决于在磁头上形成微纹的期望高度。

接下来，运载托盘被机械手104移动到镀硅室110，在那里，磁头的基体表面上通过溅镀法(sputtering)镀上一层硅。

然后，所述运载托盘被机械手104移送到a-C:H(含氢的类金刚石)或者ta-C(无氢的四面体(tetrahedral carbon)的类金刚石)镀室112中，在那里，磁头基体表面被镀上一层具有期望厚度的类金刚石碳层(DLC layer)。

影响等离子蚀刻工艺的关键因素包括处理气体的类型、处理室的压力、蚀刻电压和蚀刻时间。本发明用于等离子蚀刻工艺的蚀刻气体根据Al₂O₃和TiC的比例可为氧气、氩气或者氧气和惰性气体的混合气体。在本发明中，氧气对Al₂O₃的蚀刻速率较快，而对TiC的蚀刻速率则较慢。所述处理气体的流动速率通过质量流量控制器(MFC)来控制以达到期望压力，这里所述处理室的工作压力设为1.0Pa。

用于本发明的电源可根据所述设备进行调整，其可在等离子蚀刻工艺中产生等离子并在将被处理的磁头上提供偏压。在本发明的一个实施例中，所述磁头被施加一个300V的直流自偏压。形成偏压的目的是进行氧支配的物理蚀刻。

蚀刻时间依微纹的期望台阶高度而定。通常，如果微纹的台阶高度要求为4nm左右，蚀刻时间应定为大约5分钟。

作为对上述处理过程的改进，新增一个步骤：对其上已具有ABS图案(Pattern)的磁头进行处理而改变其原来的ABS表面粗糙度。这个新增的步骤在磁头被置入等离子蚀刻室108后和等离子蚀刻室108被抽真空后进行。在被抽成真空的等离子蚀刻室108中点燃等离子来蚀刻掉原始存在于磁头上的保护层(overcoat)，该保护层包括硅层和碳(金刚石)层。然后，在不破坏等离子蚀刻室108的真空状态的前提下，前述处理气体被引入等离子蚀刻室108，接着用该处理气体再次蚀刻磁头。这样，在所述磁头上形成预期的微纹，其随后被镀上硅和DLC。

本发明的另一个例子是用离子束蚀刻(IBE)代替上面所说的等离子蚀刻。执行IBE工艺的设备如图4所示。用离子束蚀刻方法在磁性读/写磁头上形成微纹的过程如下：首先，将承载磁条的运载托盘置入一个真空处理室202中，并用产品保持装置204将运载托盘固定，所述产品保持装置204可在0到90度之间倾斜。然后，所述真空处理室202被抽真空至预定压力。

接下来，把处理气体，例如氧气，或者氧气和惰性气体的混合气体，引入到第一离子源206中，所述离子源206通过第一个闸门208和产品保持装置204分隔开。然后，点燃离子源206中的中和剂(neutralizer)和等离子。点燃后过一段时间，等离子就稳定下来了。

当等离子稳定后，产品保持装置204被倾斜一个预定角度，闸门208被打开，从而允许等离子轰击固定在运载托盘上的磁头以进行对磁头的预清洗。此时处理室的内部压力大约为0.03-0.05Pa。

在经过一段时间后，闸门208再次关闭，离子源206和中和器的电源也要关闭。所述处理室202再次被抽真空，所述运载托盘倾斜至另一个预定方向，并通过第二离子源210和硅靶材214进行处理，其中，所述第二离子源210被第二个闸门212所遮蔽，所述硅靶材214通过第三个闸门216与产品保持装置204相隔离。硅层就这样被镀在所述磁头上。

然后，所述运载托盘被倾斜调整回到第一个离子源206的位置上，但是这次离子源206所用的源气换为C₂H₄，目的是镀C:H层。这一阶段所用的处理时间取决于所镀C:H层的期望厚度和沉积速率。

影响离子蚀刻方法形成微纹的关键因素包括：处理气体的类型，离子束的入射角度、蚀刻电压和蚀刻时间。本发明为了使Al₂O₃在TiC上有较大的选择度，在离子束蚀刻工艺中所用的处理气体是氧气、氩气或者氧气和惰性气体的混合气体。考虑到磁头的极尖凹陷，就必须调节离子束入射角度。为了适应期望的极尖形态，极尖材料和预清洗前的表面形态是调整入射角度时的重要考量因素。

蚀刻电压可以通过一个可形成加速电场的格栅电压进行调节，射频电源(radio-frequency(RF)power)可以调节离子源中的电离比率。最优蚀刻电压由所需蚀刻量、处理时间、等离子稳定度以及静电放电损毁(electrical static charge damaging)所决定的。蚀刻时间则由微纹的期望高度和先前的能量入射角度设定所决定的。

在本发明中，参考图5，所述AlTiC表面，经过上述处理后，形成一个具有清楚的两阶(two-step)结构的微纹，所述微纹包括TiC 51顶台阶和氧化铝52底台阶。所述微纹的高度可以用原子力显微镜(AFM)来测量，所测量的区域面积是20微米X 20微米，这里采用矫平方法(flatten method)去除了原子力显微镜悬臂弧(cantileverbow)的影响。

参考图5A，没有经过本发明的工艺进行处理，在AlTiC表面上就没有清楚的两阶结构。这是由于经过研磨，机械方式去除的两种硬物质：氧化铝和碳化钛有同样的去除率。而传统上应用氩气去除表面污染时，去除碳化钛上的氧化铝时只有非常小的选择度。本发明提供一种具有清晰两阶结构的微纹，清楚地显示了两种物质在高度上的不同。所述台阶高度或微纹高度依赖于处理时间。经过20秒的处理，所述微纹的台阶高度可达到2nm，参图5B；经过40秒的处理，所述微纹的台阶高度可达到3nm，参图5C；经过60秒的处理，所述微纹的台阶高度可达到4nm，参图5D。

微纹高度会影响磁性读/写磁头的起飞(take-off)和降落(touch-down)性能。从下表中可以清楚地看到这一点。

项目	微纹高度(nm)	降落(atm.)<sup>*</sup>	起飞(atm.)<sup>**</sup>
项目	微纹高度(nm)	降落(atm.)<sup>*</sup>	起飞(atm.)<sup>**</sup>	1	＜1	0.60	1.00
2	2	0.55	0.66	1	＜1	0.60	1.00
2	2	0.55	0.66	3	3	0.58	0.69
4	4	0.57	0.72	3	3	0.58	0.69

*降落(atm.)：磁头可降落在磁盘上的最大压力。

**起飞(atm.)：磁头可从磁盘上起飞的最小压力。

较低的值及降落和起飞间的不同意味着磁头拥有较好的稳定性。

本发明中，所述基底并不限于上述的AlTiC，两种不同材料的混合体：64％的Al₂O₃(氧化铝)和36％的TiC(碳化钛)。这里，Al₂O₃是底层物质，TiC为岛状第二相(island-like second phase)。AlTiC的颗粒尺寸为1微米左右。当AlTiC的颗粒尺寸发生变化时，本发明的微纹形成工艺会得到基本相同的效果，仅仅岛状第二相的密度有所不同，如图5E所示。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种在磁性读/写磁头的空气支承面上形成微纹的方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)将复数磁头阵列排列在托盘中，每个磁头包括一个朝上的极尖；

(b)把所述托盘装入处理室中，并将所述处理室抽成具有预定压力的真空；

(c)将含氧处理气体导入所述处理室中；

(d)将所述磁头暴露于所述处理气体中的蚀刻手段中并对其表面进行蚀刻而在其上形成由多个明显的两阶结构构成的微纹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(a)之前还包括研磨所述磁头表面的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(c)之前还包括用光致抗蚀罩屏蔽所述磁头极尖的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述磁头表面在研磨后的粗糙度为0.2-04nm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述光致抗蚀罩可以是正极性光致抗蚀罩或负极性光致抗蚀罩。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述光致抗蚀罩的厚度在1-20μm之间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤(a)之前还包括在所述磁头表面形成空气支承面图案的步骤，以及在步骤(b)之后去除保护层的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述蚀刻手段包括等离子体或离子束。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述等离子体是

直接电容耦合等离子体或电感耦合等离子体。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述等离子体是通过电子回旋加速共振增强微波源产生的。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述处理气体是纯氧气。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述处理气体是氧气和至少一种惰性气体的混合气体。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述阶的高度从10-50埃，所述相邻阶的距离为0.2μm-3μm。

14.一种形成具有微纹的磁性读/写磁头的方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)将复数磁头阵列置于托盘中，所述每个磁头都有一个朝上的极尖；

(b)把所述托盘置入处理室中，并将所述处理室抽成具有预定压力的真空；

(c)将含氧处理气体导入所述处理室中；

(e)在蚀刻表面上镀硅层；和

(f)在所述硅层上镀类金刚石碳层。

15.一种磁性读/写磁头，包括具有保护层的空气支承面，其特征在于该保护层具有由多个明显的两阶结构构成的微纹。

16.根据权利要求15所述的磁性读/写磁头，其特征在于：所述空气支承面是用AlTiC制造的，其包括氧化铝基相以及植入所述氧化铝基相的微粒状碳化钛第二相，所述碳化钛相凸出于所述氧化铝基相，从而形成一个区别于由所述氧化铝基相界定的底台阶的清晰的顶台阶。

17.根据权利要求15所述的磁性读/写磁头，其特征在于：所述顶台阶离底台阶的高度为10-50埃之间。

18.根据权利要求15所述的磁性读/写磁头，其特征在于：所述相邻的凸出顶台阶之间的距离为0.2μm-3μm之间。

19.根据权利要求15所述的磁性读/写磁头，其特征在于：所述保护层包括类钻石碳层和夹在该类钻石碳层和磁头表面之间的硅层。

20.根据权利要求15所述的磁性读/写磁头，其特征在于：所述两阶结构是通过在含氧处理气体中用蚀刻方法形成的。