DE19622732A1 - Oberflächenmodifikation von Magnetköpfen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Magnetplattenlaufwerke (Festplatten) und insbesondere die Anordnung aus Magnetplatte und Magnetkopf. Speziell betrifft sie eine Oberflächenmodifikation des Magnetkopfs.

Stand der Technik

Magnetplatten sind Datenspeicher mit einer sehr großen Speicherkapazität. Ca. 400 Millionen Zeichen (Bytes) können auf einer Magnetplatte von rund 95 mm gespeichert werden.

Neben der hohen Speicherdichte müssen die Platten sowohl exakte mechanische als auch tribologische Eigenschaften aufweisen. Beim späteren Praxiseinsatz bewegen sich die Platten mit ca. 5400 Umdrehungen pro Minute. Das bedeutet, daß der äußere Plattenrand eine Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h erreicht, wobei der Schreib-/Lesekopf nur einige zehntausendstel Millimeter von der Plattenoberfläche entfernt ist.

Nur durch allergrößte Präzision bei der Fertigung und durch statistische Prozeßkontrolle können diese Qualitätsanforderungen erreicht werden.

Seit Festplattenlaufwerke mit niedrig fliegenden Magnetköpfen hergestellt werden, werden diese Festplatten zur Vermeidung von Reibung, Abrieb und Beschädigungen (tribologische Effekte) mit einem Lubrikanten, d. h., einem Schmiermittel, versehen. Der Lubrikant, meist ein linearer oder verzweigter perfluorierter Polyether, wird hierbei zunächst auf die Platte appliziert, um eine gleichmäßige Flächenverteilung sicherzustellen. Eine solche Anordnung ist z. B. aus der DE-AS- 28 39 378 und der EP-A-0 123 707 bekannt.

Andere Systeme gehen von einem gezielten Dampfdruckreservoir aus, bei dem zusätzlich ein verdampfbares Schmiermittel in das Laufwerk eingebracht wird, um eine Kondensation aus der Dampfphase an den kritischen Bereichen zu erreichen.

Wird nun ein Magnetkopf auf eine solchermaßen lubrizierte Platte gebracht und das Laufwerk gestartet, wird der Kopf durch den Lubrikanten (Lube), der die äußerste Schicht der Platte darstellt, durch Molekültransfer von der Platte zum Kopf "kontaminiert" und erhält dadurch ebenfalls eine Schmiermittelschicht.

Innerhalb einer solchen Anordnung aus Magnetplatte und -kopf, dem Festplatteninterface, findet die vorbeiströmende Luft also zwei fluorierte Oberflächen vor. Bedingt durch den autophoben Charakter der Lubeschichten wird die übertragene Energie bei einer zufälligen Berührung von Kopf und Platte auf ein Minimum reduziert.

Die Lubrizierung auch des Magnetkopfes hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Schmiermittel als chemischer Oberflächenschutz wirkt, da die Affinität von organischen Materialien, potentiellen Ablagerungen und Kondensationsprodukten stark vermindert wird.

US-A-5,409,738 beschreibt ein Aufzeichnungsmedium, bestehend aus einem Substrat, einem dünnen Film zur Aufnahme der entsprechenden Daten, einer Schutzschicht auf der magnetischen Schicht sowie einer auf dieser Schutzschicht angeordneten Schicht eines Lubrikanten. Dieser stellt ein durch eine oxidative Oberflächenpolymerisation im Plasma hergestelltes Produkt dar, dessen Hauptmolekülketten chemisch an die Schutzschicht gebunden sind. Auf diese Weise wird verhindert, daß Verunreinigungen wie bspw. Wasser oder organische Verbindungen zwischen die Platte und die Schmiermittelschicht geraten können. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß an der Oberfläche des Substrats eine zusätzliche diskrete Schicht erzeugt wird, die ein zusätzliches Interface darstellt und sehr leicht den Magnetkopf kontaminieren kann. Eine Benetzung auch des Magnetkopfes mit dem Lubrikanten findet nicht statt.

In neueren Festplattenlaufwerken wird der Abstand zwischen Kopf und Platte immer geringer gewählt, um eine höhere Speicherdichte erreichen zu können. An die tribologischen Eigenschaften des Interfaces Magnetplatte/-kopf werden damit natürlich immer höhere Anforderungen gestellt. Zur Verbesserung der Oberflächenhärte werden daher diamantähnliche Kohlenstoffschichten (carbon overcoat) auf die Substratoberflächen aufgebracht, auf die dann der Lubrikant als äußerste Schicht gebracht wird. Auf diese Weise kann der Abrieb verringert werden und man erhält eine glatte Schicht auf der Magnetplatte.

Ein zusätzliches, "gewolltes" Vorlubrizieren des Magnetkopfes war bisher nicht nötig, da das Lube durch den Betrieb des Festplattenlaufwerkes automatisch auf den Kopf übertragen wurde. Es wurde sogar gefunden, daß ein absichtliches Vorlubrizieren des Magnetkopfes ein bis dahin bereits bekanntes Problem verstärkt, das Stiction genannt wird.

Ob die kritische Oberfläche des Magnetkopfes zuerst von Lube oder aber von Kontaminationen benetzt wird, hängt u. a. von den Adsorptionsverhältnissen ab. In der Regel handelt es sich bei solchen konkurrierenden Prozessen um Ausschlußverfahren, d. h., sollte die Aufnahme von Kontaminationströpfchen (z. B. Ölen) überwiegen, so wird die Benetzung mit Lube immer unwahrscheinlicher, weil sich die Oberfläche dann in ihrer Affinität noch stärker in Richtung Ölaufnahme verändert. Der Prozeß kippt also in die eine oder andere Richtung. Man spricht auch von autokatalytischer Affinität.

Sollten Öltröpfchen angelagert werden, so werden sie durch die Luftströmung zunächst an der Hinterkante des Magnetkopfes angereichert. Bei Stillstand des Kopfes auf der Platte werden diese dann unter der Wirkung von Kapillarkräften entlang der Unterseite des Magnetkopfs in den Spalt zwischen Kopf und Platte gezogen und dadurch der Magnetkopf und die Platte miteinander verklebt (Glasplatten-Effekt). Falls die Bewegungslosigkeit des Kopfes hinreichend lange dauert und dadurch die Klebewirkung entsprechend stark ist, kann dieses Phänomen zu einem Abreißen des Magnetkopfes von seiner Halterung und zu irreparablen Beschädigungen der Magnetplatte führen.

Durch die zunehmende Optimierung des Interfaces in Richtung höherer Speicherdichte und geringerer Schreib-/Leseabstände scheint nun eine Grenze erreicht, an der das Lube im Laufe der initialen Benutzung eines Plattenlaufwerkes nicht mehr schnell genug von der Platte auf den Kopf übertragen wird. Neuere analytische Beobachtungen der Anmelderin haben gezeigt, daß, abhängig vom gewählten Schreib-/Leseabstand, u. U. auch nach mehreren Wochen Laufzeit keine Spuren von Lube und schon gar keine geschlossenen Schichten auf den Köpfen vorhanden sind. Statt dessen werden schon in den ersten Stunden der Laufzeit Kontaminationen aller Art, wie z. B. Weichmacher, Ausgasungsprodukte von Klebern und Elastomeren etc., gemessen, die für den Betrieb des Laufwerks schädlich sein können und vermehrt zu Ausfällen durch Stiction führen.

Da, wie weiter oben bereits geschildert, wegen des Stiction-Problems keine Lubeschicht direkt auf den Lesekopf aufgebracht werden kann, andererseits das Fehlen einer solchen Schutzschicht jedoch zu Kontaminationsaufnahme und dadurch erneut zu Stiction führt, besteht die Notwendigkeit, ein Verfahren zu entwickeln, das es erlaubt, eine Schmiermittelschicht auf dem carbon overcoat des Magnetkopfes aufzubringen, ohne gleichzeitig die Nachteile durch Stiction-Effekte in Kauf nehmen zu müssen. Weiterhin soll keine weitere Schicht auf den Magnetkopf aufgebracht werden müssen, da diese im Gegensatz zur harten carbon overcoat-Schicht weich wäre und somit wiederum zu weiteren Kontaminationen Anlaß geben könnte.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es gestattet, die äußersten Atomlagen der diamantähnlichen Schicht auf dem Magnetkopf so zu modifizieren, daß einerseits eine hohe Affinität gegenüber dem verwendeten Lubrikanten, andererseits Jedoch eine niedrige Affinität gegenüber Verunreinigungen erreicht wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein solches Verfahren bereitzustellen, ohne daß eine zusätzliche Schicht aufgebracht werden muß.

Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den autokatalytischen Prozeß der Materialadsorption von Beginn an in die gewünschte Richtung zu lenken.

Diese und weitere Aufgaben werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Schicht gemäß Anspruch 7 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Es ist zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung nicht auf Magnetköpfe mit diamantähnlicher Beschichtung beschränkt ist, sondern generell für die Modifikation der äußersten Atomlagen von auf einem Substrat aufgebrachten Schichten verwendet werden kann. Sie soll lediglich der Einfachkeit halber an einem solchen Festplatteninterface erläutert werden. Je nach Substrat und darauf aufgebrachter Schicht können die Parameter variieren. Der Fachmann kann jedoch durch einfache Versuche die jeweils richtigen Parameter ermitteln.

Die wichtigsten funktionellen Gruppen der Perfluorpolyether, die sich als Lubrikanten bewährt haben, sind -CF₂- und -CF₃- Gruppen. Diese verleihen dem Lubrikanten und den damit lubrizierten Oberflächen einen "teflonähnlichen" Charakter in Bezug auf die Gleit- und Affinitätseigenschaften. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden diese Gruppen durch eine Modifikation der carbon overcoat-Schicht direkt auf dem Magnetkopf erzeugt.

Dabei entstehen an der Oberfläche des Substrats feste kovalente Bindungen, die die beste chemische Verankerung am Untergrund sicherstellen.

Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, daß sich lange Polymerketten an der modifizierten Oberfläche bilden können, bei denen pro Kohlenstoffatom statistisch weit weniger als eine Bindung zum Substrat gebildet wird. Es werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit nur wenigen Kohlenstoffatomen möglichst viele Fluoratome mit einer besonders hohen Anzahl an festen Bindungen an der Oberfläche festgehalten, ohne auf eine geschlossene Schicht angewiesen zu sein.

Um die Oberfläche des Magnetkopfes möglichst gleichmäßig zu verändern und eine Inselbildung wie z. B. bei chemischen Tauch- oder Kondensationsvorgängen zu vermeiden (diese würde z. B. zu funktionell unvertretbaren Oberflächeninhomogenitäten und Grenzflächeneffekten führen), sind radikalische und ionische Plasmaprozesse besonders geeignet.

Solche Prozesse werden üblicherweise in einer Plasmakammer oder einem -reaktor durchgeführt, wobei eine solche Kammer prinzipiell in zwei verschiedenen Modi arbeiten kann. Verwendet man bspw. Gase wie SF₆, etc., bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten RF-Generatorleistung, so arbeitet die Kammer im Ätzmodus, d. h., unter diesen Bedingungen wird die Oberfläche des zu bearbeitenden Substrats abgetragen (RIE - reactive ion etching).

Verwendet man hingegen Kohlenwasserstoffe wie bspw. CH₄, ebenfalls bei bestimmten Druck- bzw. RF-Generatorleistungswerten, so werden zusätzliche Schichten auf dem Substrat abgeschieden (CVD - chemical vapor deposition), die Kammer arbeitet also im Depositions-Modus.

Betreibt man die Kammer aber so, daß diese beiden Modi im Gleichgewicht stehen, so kann man einen Zustand erreichen, in dem sich Abtrag und Deposition die Waage halten.

Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die die Arbeitsweise der Kammer im wesentlichen bestimmenden Parameter, nämlich Druck, Gaszusammensetzung und RF-Generatorleistung, so eingestellt werden, daß weder ein allzu großer Abtrag noch eine allzu große Deposition stattfindet, sondern daß lediglich die Oberfläche des zu bearbeitenden Substrats aktiviert wird.

Verwendet man bspw. Argon als Reaktionsgas bei einem Druck von ca. 2×10^-3 mbar bis ca. 8×10^-3 mbar, bevorzugt 6×10^-3 mbar, und eine RF-Generatorleistung von etwa 100 W bis etwa 250 W, bevorzugt 150 W, so wird zunächst die obere Grenzschicht des Substrats durch entstehende Ar⁺-Ionen angeregt (Vorkonditionierung), so daß sich nunmehr bestimmte funktionelle Gruppen leicht an diese angeregte Oberfläche anbinden können.

Am Ende eines Plasmaprozesses besitzt die Oberfläche eines Substrats sehr viele reaktive Stellen und damit eine hohe Reaktionsbereitschaft. Wird der Prozeß abgeschaltet, so stabilisiert sich die oberste Schicht z. B. durch Rekombinationsvorgänge und Reaktion mit Umgebungsmolekülen von selbst. Überläßt man jedoch diesen Prozeß nicht dem Zufall, sondern "löscht" die Plasmaflamme unter definierten Bedingungen, d. h., durch gezielte Zuführung eines zusätzlichen fluorhaltigen Gases, werden die obersten Atomlagen durch dieses Gas entsprechend kontrollierbar modifiziert. Bei der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft mit CHF₃ im Bereich von 10% als zusätzlichem Bestandteil der Gasmischung gearbeitet, andere fluorhaltige Gase sind jedoch verwendbar. Dabei wird gemäß Reaktionsgleichung (a) durch C-H-Bindungsspaltung das Substrat so modifiziert, daß sich die CF₃- Gruppen des zusätzlichen Gases an das Substratmaterial anlagern. Durch Nebenreaktionen werden dabei auch -CF₂- und -CF-Gruppen angelagert, jedoch nur in geringerem Ausmaß. Auf diese Weise ändert sich die Oberflächenspannung des Substratmaterials in der Weise, daß eine höhere Affinität zum Schmiermittel und damit gleichzeitig eine geringere Affinität zu Verunreinigungen auftritt. Durch Randwinkelmessungen ist dieses Phänomen deutlich meß- und kontrollierbar. Somit kann also beim Starten des Plattenlaufwerkes der Schmierstoff auf den Magnetkopf gelangen, bevor dieser mit Verunreinigungen kontaminiert wird.

Durch analytische Charakterisierung (ESCA, Laser-ICR, Randwinkelmessungen) läßt sich nachweisen, daß sich die gewünschten Gruppen ausschließlich an der Oberfläche des Kohlenstoffsubstrats bilden. Diese Modifikation lediglich der äußersten Atomlagen reicht aus, um die geforderte Änderung der Oberflächenspannung zu erreichen. Selbst absichtlich erzeugte Schichten einer definierten Dicke zeigten keine günstigeren Veränderungen in der Oberflächenspannung. Sie sind zudem durch den möglichen Abrieb und die damit einhergehende Kontaminationsgefahr nicht erwünscht. Die so modifizierten Magnetköpfe wurden in Festplattenlaufwerke eingebaut und einem Stictiontest unterzogen. Dabei zeigten diese Laufwerke auch nach 30 Tagen keine hohen Motorströme, die ein Indiz für Stiction wären.

Beispiel

Zunächst wird die für die Flugeigenschaften des Magnetkopfes entscheidende Oberflächengeometrie durch reaktive Ionenätzverfahren und Ionenstrahlätzen erzeugt. Zum Schutz vor mechanischem Verschleiß und chemischer Korrosion des Magnetkopfes wird daraufhin eine dünne Schutzschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (carbon-overcoat, COC) aufgebracht. Am Ende des Prozesses wird dann zur Verbesserung der selektiven Adhäsionseigenschaften dieser Schicht und einer damit verbundenen besseren Gleiteigenschaft des Magnetkopfes auf der Dünnfilmplatte die oberste Atomlage dieser COC-Schicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren modifiziert.

Dazu wird in einem Gasgemisch aus ca. 20-40 sccm Argon (bevorzugt 20 sccm) und 40-200 sccm (bevorzugt 200 sccm) CHF₃ bei einer RF-Generatorleistung von 100-250 W (bevorzugt 150 W) an der Substartplatte ein Plasma gezündet und somit die Oberfläche der Substrate modifiziert.

Das Aufbringen einer COC-Schicht und die Modifikation der Oberfläche können entweder unmittelbar hintereinander durchgeführt werden oder aber in einem zweistufigen Prozeß, wobei die Plasmakammer vor dem zweiten Schritt neu auf die entsprechenden Druck- und Zusammensetzungsverhältnisse konditioniert wird. Letztere Arbeitsweise schafft reproduzierbarere Ergebnisse und macht das Verfahren unabhängig von vorangegangenen Prozeßbedingungen.

Das hier beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß aufgrund einer Modifizierung nur der äußersten Atomlagen des Substrats keine Abscheidung einer zusätzlichen Schicht nötig ist, die eine weitere Quelle für Verunreinigungen darstellen könnte. Außerdem entsteht kein zusätzliches "magnetic spacing" (wirksamer Abstand zwischen magnetischer Schicht und Schreib- /Leseelement bei gleichbleibender Flughöhe). Des weiteren lassen sich auf diese Weise die Oberflächenparameter wie Adsorptions-, Desorptions- und Gleiteigenschaften gezielt kontrollieren, ohne daß die positiven Eigenschaften des carbon overcoat verloren gehen. Eine Veränderung dessen Härte ist nicht meßbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß keinerlei zusätzliche Hardware notwendig ist, um den Prozeß durchzuführen.

Die hier beschriebene Oberflächenmodifikation zur Konditionierung von tribologischen Schichten läßt sich nicht nur auf den carbon overcoat von Magnetköpfen, sondern bspw. auch auf die Kohlenstoffschichten von Festplatten anwenden.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Modifikationsverfahrens mit CHF₃ liegen in der Klebe- und Hafttechnik sowie in der Konditionierung zu einer anschließenden Polymerisation. Hier kann das Verfahren vor allem zur Kontrolle des Interfaces zwischen Substrat und Beschichtung benutzt werden. Die Bindung der ersten Atomlage ist damit vordefiniert.

Der Einsatz weiterer fluorierter Gase ist ebenfalls denkbar. Es muß jedoch mindestens ein Wasserstoffatom im Reaktanden vorhanden sein.

Claims (8)

1. Verfahren zur Modifizierung der äußersten Atomlagen von auf einem Substrat aufgebrachten Schichten in einer Plasmakammer, dadurch gekennzeichnet, daß die die Arbeitsweise der Plasmakammer im wesentlichen bestimmenden Parameter Druck, Gasmischung und RF-Generatorleistung so aufeinander abgestimmt werden, daß die Plasmakammer in einem Gleichgewichtszustand zwischen Ätzabtrag und Gasphasenabscheidung arbeitet, und wobei die Gasmischung so zusammengesetzt ist, daß sie mindestens ein die Oberfläche der auf dem Substrat aufgebrachten Schicht chemisch-physikalisch aktivierendes Gas und mindestens ein Gas, dessen im Plasma reaktive Bestandteile an diese aktivierte Oberfläche chemisch anbinden kann, enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Magnetkopf ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Substrat aufgebrachte Schicht eine diamantähnliche Schicht (carbon overcoat) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktivierende Gas ein Edelgas und das anbindende Gas ein fluorhaltiges Gas ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Bereich von 2×10^-3 mbar bis 8×10^-3 mbar, bevorzugt bei 6×10^-3 mbar, liegt und die RF-Generatorleistung 100 W bis 250 W, bevorzugt 150 W, beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Argon und das fluorhaltige Gas CHF₃ ist.

7. Auf einem Substrat aufgebrachte Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die äußersten Atomlagen dieser Schicht fluorhaltige partiell funktionelle Gruppen aufweisen.

8. Verwendung der Schicht nach Anspruch 7 als Oberfläche für Magnetköpfe in Magnetplattenlaufwerken.