CN1925013A - 用于垂直磁记录介质的SiN涂层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁记录的磁介质上使用的SiN涂层。该SiN涂层通过在施加负DC偏置的同时由脉冲DC溅射沉积。所述SiN涂层在垂直磁记录介质上尤其有用，因为它能够薄地且均匀地沉积在粗糙的颗粒状高矫顽力记录介质上同时保持优良的侵蚀保护属性。SiN涂层可以施加得小于3nm厚同时仍维持优良的机械和侵蚀保护。该涂层还具有非常高的密度和水接触角。
Description
技术领域
本发明涉及磁数据记录，更特别地，涉及磁介质上使用的涂层。该涂层特别适于在垂直磁记录介质上使用。
背景技术
计算机的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。当盘不旋转时，悬臂偏置滑块接触盘的表面，但是当盘旋转时，空气被旋转的盘旋动。当滑块骑在气垫上时，写和读头被用来写磁转变到旋转盘且从旋转盘读取磁印。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路从而实现写和读功能。
写头包括嵌入在第一、第二和第三绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，极片层在背间隙处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其使得磁场在ABS处在写间隙弥散出来以用于在移动介质上的道中写上述磁印，例如在上述旋转盘上的环形道中。
近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已被用来检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文称为间隔层的非磁导电层，其夹在下文称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到该自旋阀传感器以传导电流通过该传感器。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩位于平行于ABS，但是可以响应于外磁场自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层交换耦合来被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此布置，部分传导电子通过间隔层与被钉扎层和自由层的每个的界面被散射。当被钉扎层和自由层的磁化彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层和自由层的磁化之间的角。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地变化。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测到且作为重放信号被处理。
自旋阀传感器位于第一和第二非磁电绝缘读间隙层之间，第一和第二读间隙层位于铁磁的第一和第二屏蔽层之间。在合并式磁头中，单个铁磁层充当读头的第二屏蔽层且充当读头的第一极片层。在背负式头中，第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
被钉扎层的磁化通常通过将铁磁层之一(AP1)与反铁磁材料例如PtMn的层交换耦合来被固定。虽然反铁磁(AFM)材料例如PtMn本身没有磁化，但是当与磁材料交换耦合时，它能够强烈地钉扎铁磁层的磁化。
对日益提高的数据速率和数据密度的的需求已经推动了垂直磁记录系统的研发。虽然更传统的纵向记录系统将数据位记录为磁介质上纵向取向的磁转变，但是垂直记录系统将数据记录为垂直于介质平面取向的磁位。这样的垂直记录系统需要新的高矫顽力介质以发挥其最大潜能。垂直磁记录介质包括形成在低矫顽力衬层上的薄的高矫顽力顶层。
介质的高矫顽力顶层中使用的合适材料是高侵蚀且多孔的。为了防止此高矫顽力顶层的侵蚀，也为了允许滑块飞行在介质之上，必须应用薄的保护涂层。当前，类金刚石碳(DLC)用于此顶涂层，且被认为是用于此目的的当前可得的最佳材料。
不幸地，更高矫顽力的介质以及更高数据速率记录系统变得与这样的DLC涂层的使用日益不相容。例如，垂直记录所需的高矫顽力介质材料是非常颗粒状或粗糙的。通过离子束沉积沉积的当前可用的DLC涂层过于定向性且趋于优先沉积在介质的粗糙颗粒表面的峰上。为了确保完全覆盖，DLC涂层必须沉积至少4或5nm厚。更糟的是，具有良好分离(segregate)的晶粒的未来垂直介质将更难以覆盖。当沉积在这样的材料上时，所沉积的DLC未良好铺展，使得非常难以获得均匀涂覆的表面。
需要一种在小于3nm厚度能提供足够的侵蚀和机械保护的材料。这样的材料将优选容易地被应用，能够平坦地铺展从而均匀地涂覆介质的表面。这样的材料还优选导致少的或者没有额外的花费或制造复杂度。
发明内容
本发明提供一种磁记录介质上使用的优异涂层。本发明包括形成在磁记录介质的磁层之上的SiN涂层。
通过采用脉冲DC电源以在具有氮气氛的溅射沉积腔内激发等离子体，SiN涂层可以沉积在磁介质上。SiN可以在施加负DC偏置电压的同时沉积于保持在夹盘(chuck)上的晶片上的磁介质上。负DC偏置电压增大SiN涂层的密度且还允许SiN在粗糙磁表面上平坦地沉积，由此允许应用更薄的涂层。
利用脉冲DC电源施加在偏置夹盘上的SiN涂层具有有利的大于100度的高水接触角(water contact angle)，其防止了介质使用期间的表面污染和侵蚀。这远高于没有脉冲DC电源和没有偏置时施加的SiN涂层的水接触角。
SiN涂层还可以有利地沉积为非常薄，小于3nm，且甚至约2.5nm，而仍保持优良的侵蚀保护。涂层的此减小的厚度降低了磁间隔，允许增大的数据速率和数据容量。该SiN涂层与现有技术碳基涂层相比还提供侵蚀保护方面多个数量级的改善，甚至比这样的现有技术涂层施加得更薄。
通过结合附图详细说明其优选实施例，本发明的这些和其它特征和优点将变得明显，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
附图说明
为了更充分地理解本发明的本质和优点，以及优选使用模式，请结合附图参照下面的详细说明，附图未按比例绘制。
图1是其中可实现本发明的盘驱动系统的示意图；
图2是横截面示意图，示出其中可实现本发明的垂直磁记录系统；
图3是从图2的环3截取的部分磁介质的放大剖视图；以及
图4是其中可沉积根据本发明一实施例的涂层的溅射沉积腔的示意图。
具体实施方式
下面的描述是关于实施本发明的当前预期的较佳实施例。进行此描述以用于说明本发明的基本原理而不意味着限制这里主张的发明概念。
现在参照图1，示出实现本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112支承在心轴(spindle)114上且被盘驱动器马达118所旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上同心数据道(未示出)的环形图案形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支承一个或更多磁头组件121。磁盘旋转时，滑块113在盘表面122上方径向进出移动使得磁头组件121可以存取磁盘的写有所需数据的不同道。每个滑块113借助于悬臂115附着到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，其将滑块113偏置朝向盘表面122。每个致动器臂119附着到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。VCM包括在固定磁场内可动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制器129提供的马达电流信号来控制。
盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转产生滑块113与盘表面122之间的气垫，其对滑块施加向上的力或举力。因此在正常运行期间气垫反平衡悬臂115的弹力，支承滑块113离开盘表面且以一小的、基本恒定的间隔稍微在盘表面上方。
盘存储系统的各种部件运行时由控制单元129产生的控制信号控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号和线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供期望电流分布(current profile)从而将滑块113优化地移动和定位到盘112上期望的数据道。写和读信号借助于记录通道125传送到写和读头121且从其传出。
参照图2，可以更详细地观察滑块113中磁头121的取向。图2是滑块113的ABS视图，如图所见，包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的尾缘。以上关于普通磁盘存储系统的描述以及附图1仅用于示例。应是显然的，盘存储系统可包括多个盘和致动器，且每个致动器可支承多个滑块。
现在参照图3，描述用于本发明的垂直磁头302和磁介质304。磁头302包括感应写头306和读头308。写头包括磁写极310和具有大得多的横截面的返回极312。写极310和返回极312通过磁背间隙314和成形层316磁连接，磁背间隙314和成形层316两者从返回极312传导磁通到写极310。导电写线圈318产生磁场，其导致磁通流经返回极312、背间隙314、成形层316和写极310。写线圈318嵌在电绝缘材料320中。
写极310具有比返回极小得多的横截面。强的密集的写场322从写极沿基本垂直于介质304的表面的方向发出。此写场足够强，其能够局部磁化介质304的高矫顽力顶层324的一部分。然后写场行进经过较低矫顽力的衬层326，在那里它返回经过高矫顽力顶层324且回到返回极312。因为返回极312比写极310具有大得多的横截面，所以回到返回极310的磁场322太弱而不能擦除写极所记录的位。
读头306包括磁致电阻传感器328，其可以嵌入在非磁电绝缘间隙材料330中。传感器328和间隙材料330可以夹在第一和第二磁屏蔽件332之间。绝缘层334可以将读头308与写头306分隔开且也可以设置在读头的另一侧。
现在参照图3，介质304的顶部可以被观察到。此最顶部分包括较高矫顽力顶层324和涂层328。涂层328由特别沉积的氮化硅(SiN)构成，其在高度侵蚀的、高矫顽力磁层328之上提供密集的、平坦的、坚固的涂层。
参照图4，涂层328在溅射沉积腔402中沉积。涂层沉积在保持于夹盘406上的衬底，晶片404上。腔402还包括脉冲DC电源408和Si靶410。腔402还包括气体入口412和气体出口414，其可以用于以包括氮(N2)的气氛填充腔。更优选地，气氛包括氮(N2)和氩(Ar)。
DC脉冲电源408在腔402中激发等离子体416，其从靶410驱移Si原子和离子418。来自靶410的Si和来自气氛的N在反应溅射过程中彼此反应且沉积到晶片404上作为涂层328。负DC偏置电压施加到夹盘上。此偏置电压吸引正电荷Si离子以及带正电的N离子，导致所沉积的SiN涂层中显著更高的密度。此更高的密度提供涂层328的更大增强的侵蚀保护以及物理韧度。所沉积的涂层328优选地具有差不多非常接近于Si3N4的化学计量浓度。例如，涂层328可由SixNy构成，其中x＝2.5-3.5，y＝3.5-4.5。
脉冲DC溅射的SiN涂层328具有优良的耐蚀性，即使在小为2-2.5nm的厚度下。该材料具有比先前使用的涂层材料更高的密度。该SiN还良好铺展，即使在粗糙(颗粒状)介质表面上也提供非常均匀的覆盖，且此覆盖还通过DC偏置被改善。该DC偏置使得所沉积的SiN均匀地流到所述粗糙表面中从而该表面中的低点或槽(trough)与表面峰以基本相同的速率被涂覆。这与现有技术碳涂层的情况不同，现有技术碳涂层趋于在峰处比在谷(valley)中更容易沉积。此均匀的沉积速率允许本发明的SiN涂层沉积得比现有技术涂层薄得多。
上面描述的材料与没有脉冲DC电源和没有负偏置时施加的SiN相比还具有改善的水接触角。本领域技术人员将意识到，水接触角是材料的极性表面能的度量，且是材料使得水成水珠而不是铺展在其表面上的能力。较高的水接触角意味着材料将更少倾向于受到来自环境的侵蚀和表面污染。利用夹盘上的负DC偏置沉积的脉冲DC溅镀SiN涂层328具有远大于100度的水接触角。该高的水接触角与离子束沉积的碳涂层相当，且意味着SiN涂层328具有优良的耐侵蚀和耐污染性且较少受涂污的影响。
SiN涂层328比先前使用的碳涂层例如DLC致密得多且可以比这些碳基涂层施加得薄得多。如上所述，涂层328具有小于3或1-2.5nm的厚度。更优选地，该涂层具有2-2.5nm的厚度。先前使用的碳涂层必须被沉积至少4nm厚从而提供足够的保护。使DC脉冲SiN涂层328非常薄的该能力通过减小磁间隔允许增大的面密度。在现有和将来垂直记录系统中磁间隔是非常严格的参数。
为了更好地理解SiN涂层328比现有涂层的优点，作为示例的实验显示，45埃DLC涂层的样品在暴露于侵蚀环境三天之后具有100至130计数每表面的侵蚀发生率(corrosion incidence)，在暴露6天之后为5000至10000计数每表面。作为对比，用DC偏置施加的脉冲DC溅镀SiN涂层在暴露3天后具有零(0)计数每表面且暴露6天后仅具有约9计数每表面。
虽然已经描述了各种实施例，但是应理解，它们仅以示例而不是限制的方式给出。落入本发明广度和范围内的其它实施例也会对本领域技术人员变得显然。因此，本发明的广度和范围不应局限于上述示例性实施例的任何一个。而是仅根据所附权利要求及其等价物来定义。
Claims (21)
1.一种用于数据记录系统的磁介质，该介质包括：
磁层；以及
形成在所述磁层上的涂层，该涂层包括SiN。
2.如权利要求1所述的磁介质，其中该涂层包括SixNy，其中x＝2.5-3.5，y＝3.5-4.5。
3.如权利要求1所述的磁介质，其中该涂层具有小于3nm的厚度。
4.如权利要求1所述的磁介质，其中该涂层具有1-2.5nm的厚度。
5.如权利要求1所述的磁介质，其中该涂层具有2-2.5nm的厚度。
6.如权利要求1所述的磁介质，其中该涂层具有大于100度的水接触角。
7.一种用于垂直磁记录的磁介质，包括：
磁性低矫顽力衬层；
形成在该衬层之上的磁性高矫顽力顶层；以及
非磁涂层，形成在该高矫顽力顶层之上，该涂层包括SiN。
8.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层包括SixNy，其中x为2.5-3.5，y为3.5-4.5。
9.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层具有小于3nm的厚度。
10.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层具有小于3nm的厚度。
11.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层具有1-2.5nm的厚度。
12.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层具有2-2.5nm的厚度。
13.如权利要求7所述的磁介质，其中该涂层具有大于100度的水接触角。
14.一种盘驱动系统，包括：
外壳；
安装在该外壳内的马达；
磁盘，与所述马达可旋转地连接，所述磁盘包括磁层和形成在该磁层上的涂层，该涂层包括SiN；
致动器；以及
滑块，与所述致动器连接用于与所述磁盘的表面相邻地移动，所述滑块包括磁写头和磁读头。
15.如权利要求14所述的磁介质，其中该涂层包括SixNy，其中x为2.5-3.5，y为3.5-4.5。
16.如权利要求14所述的盘驱动器，其中所述涂层具有小于3nm的厚度。
17.一种制造磁介质的方法，包括：
提供具有夹盘、脉冲DC电源和Si靶的等离子体沉积腔；
放置晶片在所述夹盘上；
泵抽氮到所述腔中；以及
通过利用所述脉冲DC电源在所述腔中激发等离子体来溅射沉积SiN到所述晶片上。
18.如权利要求17所述的方法，还包括，溅镀沉积SiN到所述晶片上时，向所述夹盘施加DC偏置。
19.如权利要求17所述的方法，还包括，在溅镀沉积SiN到所述晶片上时，施加负DC偏置到所述夹盘上。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述氮气氛以足够的速率被泵抽到所述腔中从而以SixNy的浓度沉积SiN到所述晶片上，其中x为2.5-3.5，y为3.5-4.5。
21.如权利要求17所述的方法，其中所述气氛包括N2和Ar。
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