DE19811347A1 - Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Detektierung und Charakterisierung von Defekten auf Oberflächen von Magnetplatten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Detektierung und Charakterisierung von Defekten auf Oberflächen von Magnetplatten

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Abstract

Es wird eine Kombination von MAG-Tester (magnetischer Tester, Spin-Tester) und AFM/MFM vorgeschlagen, die in der Lage ist, Submikrometerdefekte auf der Oberfläche von Magnetplatten gezielt und schnell zu detektieren und zu charakterisieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Erkennung und Charakterisierung von Defekten auf der Oberfläche von Magnetplatten. Speziell betrifft die Erfindung die Erkennung solcher Defekte, die im Submikrometerbereich liegen. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
Magnetplatten sind Datenspeicher mit einer sehr großen Speicherkapazität. 1 GB können auf einer Magnetplatte von rund 65 mm gespeichert werden.
Neben der hohen Speicherdichte müssen die Platten exakte magnetische, mechanische und bestimmte tribologische Eigenschaften aufweisen. Beim späteren Praxiseinsatz bewegen sich die Platten mit ca. 7200 Umdrehungen pro Minute. Das bedeutet, daß der äußere Plattenrand eine Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h erreicht, wobei der Schreib-/Lesekopf weniger als ein zwanzigtausendstel Millimeter (< 50 nm) von der Plattenoberfläche entfernt ist.
Nur durch allergrößte Präzision bei der Fertigung und durch statistische Prozeßkontrolle können diese Qualitätsanforderungen erreicht werden.
Zur Erzielung hoher Speicherdichten wird bei modernen Hochkapazitätsmagnetplatten ein magnetisches Dünnfilmmedium für die Aufzeichnung der Daten verwendet.
Defekte, die auf der Oberfläche solcher Dünnfilmplatten verstreut auftreten, können die Produktionsausbeute von Plattenlaufwerken signifikant verschlechtern. Diese Defekte können durch eine lokale Veränderung der Topographie oder der magnetischen Struktur hervorgerufen sein. Beispiele hierfür sind sogenannte "Thermal Asperities" oder "Missing Bits". So können bereits Submikrometerdefekte, d. h., Defekte, deren Größe ≦ 1 µm beträgt, zu unbrauchbaren Magnetplatten führen. Ein exaktes Auffinden und die genaue Charakterisierung solcher Defekte ist daher bei den heutigen Magnetplatten ausgesprochen wichtig.
Dabei ist es besonders wichtig, eine Korrelation zwischen den Submikrometerdefekten, der Topographie der Magnetplatte bzw. deren magnetischer Struktur und den resultierenden Lesesignalstörungen herzustellen. Diese ist grundlegend für eine generelle Analyse von Defekten auf der Platte und der Beurteilung ihrer Relevanz für das fehlerfreie Funktionieren des Festplattenlaufwerks, in das diese Magnetplatten eingebaut werden.
Stand der Technik
Zum Auffinden von Störungen im Lesesignal werden derzeit sogenannte Magnet-Tester (MAG-Tester, Spin-Tester) herangezogen. Eine Charakterisierung einer solchen Störung hinsichtlich deren Ursache ist mit solchen Testern nicht möglich.
Diese Charakterisierung hinsichtlich der Topographie und der magnetischen Eigenschaften wird wiederum mit einem Atomic Force Microscope (AFM) oder Magnetic Force Microscope (MFM) durchgeführt. Der maximale Bereich, der mit derartigen Geräten erfaßt werden kann, beträgt typischerweise 100 µm × 100 µm.
Eine Zuordnung von Signalstörung zu einem bestimmten Defekt (magnetisch und/oder topographisch) ist nach derzeitigem Stand der Technik über magnetisches Markieren auf dem MAG- Tester, Sichtbarmachen der Markierung mit Ferrofluid, anschließendes mechanisches Markieren, Entfernen des Ferrofluids und nachfolgender AFM/MFM-Untersuchung möglich (vgl. weiter unten). Hierbei können jedoch einerseits beim Entfernen des Ferrofluids auch ggf. relevante Defekte mit entfernt werden, andererseits können aber auch zusätzliche Verunreinigungen auf der Magnetplatte verbleiben. Dies macht jedoch in den allermeisten Fällen eine gezielte Analyse unmöglich. Des weiteren ist bei dieser Vorgehensweise mit einem durchschnittlichen Zeitbedarf von 1 Tag oder mehr für einen einzigen Defekt auszugehen. Dies kann bei der heutigen hohen Anzahl von täglich produzierten Magnetplatten keinesfalls toleriert werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die magnetische Markierungstechnik wie im folgenden Abschnitt beschrieben zu verfeinern. Hierdurch werden die oben geschilderten Nachteile bei der Verwendung von Ferrofluid vermieden. Dadurch ist eine direkte Zuordnung von Signalstörung und Defekt möglich, die eminent wichtige Aufschlüsse über die Fehlerursache geben kann. Aber auch bei dieser Methode ist der Zeitbedarf noch immer so hoch (≧ 1 Tag), daß er nicht toleriert werden kann. Somit muß auch bei dieser Vorgehensweise auf eine Untersuchung aller relevanten Fälle verzichtet, und die Analyse auf Stichproben beschränkt werden.
Die Magnetplatte mit den darauf enthaltenen Defekten wird zunächst in den MAG-Tester eingelegt. Defekte werden als Störung des Lesesignals bei hoher Drehzahl detektiert (vgl. Fig. 3, obere Kurve) und deren Koordinaten (Radius ri, Winkelposition ϕi) ermittelt. Der Winkel ϕ wird dabei von einer durch den Spindelantrieb der Magnetplatte vorgegebenen Referenzposition (Index 0) aus gezählt. Die Radialposition ri wird von der Rotationsachse der Spindel aus gemessen. Die dazu notwendigen Programme stellt der Tester zur Verfügung. Anschließend wird ein bestimmter Defekt ausgewählt. Auf den Radius ri der Magnetplatte wird nun eine Spur geschrieben, wobei an der Position des ausgewählten Defekts eine ca. 50-100 µm große Lücke gelassen wird, so daß der Defekt selbst nicht überschrieben wird. Die Spurunterbrechung markiert nun die Defektposition. Eine zweite Spur wird bei ri-10 µm geschrieben, wobei diese nur von Index 0 bis ϕi reicht.
Soll mehr als ein Defekt untersucht werden, müssen die zuletzt beschriebenen Schritte für jeden weiteren Defekt wiederholt werden. Da die Markierung einigen Platz beansprucht, ist es nicht möglich, Defekte gleichzeitig zu markieren, deren Radialkoordinaten enger als die Breite der Markierung zusammenliegen.
Anschließend wird an der Magnetplatte mechanisch eine Markierung für den Index 0 angebracht. Die Breite dieser Markierung beträgt in der Regel < 500 µm.
Die Magnetplatte wird nun aus dem MAG-Tester herausgenommen und in das MFM (bzw. AFM) eingelegt. Durch diesen Ausbau- und Wiedereinbauschritt ist die Position des Koordinatenursprungs verlorengegangen. Der Offset zum neuen Ursprung kann bis zu 700 µm betragen.
Im nächsten Schritt werden Radius ri und Winkel ϕi grob von Hand eingestellt und die MFM-Messung gestartet. Sollte eine der vorher geschriebenen Spuren innerhalb des Meßfensters sichtbar sein, wird das Meßfenster darauf zentriert. Dazu ist ein Verfahren des Probentisches notwendig. Ist keine Spur zu finden, wird der Tisch radial verfahren und erneut eine Messung gestartet, solange, bis die Spuren gefunden sind.
Nachdem die Radialkoordinate gefunden wurde, wird nun die Winkelkoordinate eingestellt, dazu sind wiederum MFM- bzw. AFM- Messungen notwendig, bevor dann die eigentliche MFM- bzw. AFM-Messung stattfinden kann (vgl. Fig. 3, untere Kurve für AFM bzw. Fig. 4 unten für MFM). Für das Auffinden der genauen Position (ri, ϕi) benötigt ein geübter Operator bis zu 180 Minuten. Der Gesamtzeitaufwand für diese Methode liegt daher bei ca. 1 Tag pro Defekt und mehr.
Zusammenfassung der Erfindung
Wie bereits weiter oben angedeutet, sind bei den heutigen Verfahren mindestens zwei Geräte nötig, um die Defektstelle aufzufinden, zu markieren und zu charakterisieren.
Beim Transfer der Platten vom ersten Gerät, auf dem die Detektion der Defekte anhand des Lesesignals erfolgt, zum zweiten Gerät, welches die eigentliche Charakterisierung vornimmt, muß die Platte aus der Spindelhalterung entfernt werden. Dabei gehen die Referenzpunkte des Spindelkoordinatensystems verloren.
Eine Rekonstruktion des Koordinatensystems mit Hilfe der beschriebenen Markierungstechnik ist sehr aufwendig und nur von eingeschränkter Genauigkeit, da allein schon durch die üblichen Fertigungstoleranzen die Magnetplatte weder im Spin-Stand noch im AFM/MFM zentrisch gelagert werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, Defekte im Submikrometerbereich auf der Oberfläche einer Magnetplatte gezielt zu detektieren und gleichzeitig zu charakterisieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren bereitzustellen, das eine solche Untersuchung innerhalb eines tolerierbaren Zeitraums durchführt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Möglichkeit, erweiterte parametrische Messungen über das MFM-Signal zur Charakterisierung der Magnetplatte oder des Schreibelements durchführen zu können.
Außerdem ist nach einer vollständigen Analyse der Magnetplatte diese weder beschädigt noch kontaminiert, so daß eine weitere Verwendung bzw. weitere Analyse bzw. Analysen an der Platte möglich sind.
Zudem besteht die Möglichkeit (bspw. durch Tintenstrahldüsen), den Defektort auf der Magnetplatte mechanisch zu markieren. Dadurch kann der Defekt anderen Charakterisierungsmöglichkeiten zugänglich gemacht werden. Eine solche Markierung ist zwar auf einem separat stehenden AFM/MFM auch möglich. Allerdings muß zuvor der Defekt wiedergefunden werden (vgl. die Beschreibung der magnetischen Markierungstechnik weiter oben). Der durch das mechanische Markieren erstrebte Zeitvorteil geht damit also wieder verloren. Eine Markierung auf dem separaten Spin- Stand setzt eine Positioniereinrichtung, wie sie hier beschrieben wird, voraus.
Des weiteren können AFM/MFM-Linescans mit dem gestörten Signalverlauf örtlich zur Deckung gebracht werden, um so die physikalischen Ursachen der Signalstörung zu beleuchten.
Diese und andere Ziele und Vorteile werden durch die Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 und 11 und das Verfahren nach Anspruch 13 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden detailliert beschrieben unter Zuhilfenahme der Zeichnungen, in denen
Fig. 1 und 2 mögliche erfindungsgemäße Anordnungen eines kombinierten MAG/MFM-Testers zeigen;
Fig. 3 das Lesesignal des MAG-Testers in Abhängigkeit von der mit einem AFM bestimmten Topographie der Magnetplatte darstellt; und
Fig. 4 das Lesesignal des MAG-Testers in Abhängigkeit einer mit einem MFM aufgenommenen Bild einer Spur einer Magnetplatte zeigt
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es ist zunächst zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines AFM/MFM beschränkt ist, sondern daß auch andere hochauflösende Analysegeräte wie z. B. Lichtmikroskope, Profilometer, Micro-Raman-Geräte, etc. mit dem MAG-Tester kombiniert werden können. Der Einfachkeit halber wird im folgenden jedoch nur die Kombination zwischen MAG-Tester und AFM/MFM beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen mögliche Anordnungen eines kombinierten MAG-MFM-Testers.
Der Spin-Stand eines MAG-Testers, bestehend aus Grundplatte 1, Positioniereinheit 2, Spindel 3 mit Plattenaufnahme und der Kopfhalterung 4 wird um den Meßkopf 5 eines MFM erweitert. Dabei sind grundsätzlich zwei verschiedene Anordnungen denkbar. Bei der ersten Anordnung (vgl. Fig. 1) ist der Meßkopf unmittelbar an der Kopfhalterung 4 des MAG- Testers befestigt. Kopfhalterung und MFM- bzw. AFM-Meßkopf werden so durch ein und dieselbe, bereits vorhandene, Positioniereinheit 2 bewegt. Bei der zweiten Anordnung (vgl. Fig. 2) können Kopfhalterung 4 und MFM-Meßkopf 5 unabhängig voneinander in dem gemeinsamen Koordinatensystem der Spindel 3 bewegt werden. Dazu wird eine zusätzliche, eigenständige Positioniereinheit 6 verwendet. Der Meßkopf 3 und der an der Unterseite der MAG-Kopfhalterung 4 befestigte Schreib-/Lese­ kopf (nicht gezeigt) des MAG-Testers greifen so gleichzeitig von verschiedenen Positionen auf die gleiche zu untersuchende Magnetplatte 7 zu. In beiden Anordnungen wird ein festes gemeinsames Koordinatensystem gebildet, das über den gesamten Charakterisierungsvorgang erhalten bleibt, d. h., der Koordinatenursprung ist für den gesamten Verlauf der Messung der gleiche. Dies wiederum ermöglicht die Angabe der Position des MFM-Meßkopfes 5 relativ zum Index. Zusammen mit der Radialkoordinate, die von der Rotationsachse der Spindel 3 aus bestimmt wird, ist so eine exakte Positionierung eines das Lesesignal störenden Defekts möglich. Der aus der Anordnung resultierende Versatz zwischen Kopfhalterung 4 und MFM-Meßkopf 5 muß dazu einmalig vermessen werden.
Da die Drehung der Magnetplatte in der Regel nicht über den Spin-Stand eigenen Motor realisiert werden kann, weil zum einen dessen Schrittgenauigkeit viel zu gering ist, und zum anderen die hohe Mindestdrehzahl ein punktgenaues Anhalten der Magnetplatte unmöglich macht, wird ein zusätzlicher Schrittmotor an die Spindel angekoppelt, der dann die Einstellung der Winkelkoordinate übernimmt. Das Lesesignal kann dabei nicht als Feedbacksignal für die Positionsbestimmung genutzt werden, da bei niedrigen Drehzahlen der Spindel der magnetische Schreib-/Lesekopf auf der Magnetplatte schleift. Alternativ ist selbstverständlich auch eine Verbesserung des Spindelantriebs im Hinblick auf Schrittauflösung und extremen Langsamlauf möglich.
Für das reibungslose Zusammenspiel zwischen MAG-Tester und MFM ist der Austausch einiger Daten und Signale zwischen den Geräten notwendig. Dazu gehört bspw. auch das vom Spindelantrieb generierte Indexsignal, über das der Nullwinkel bei schneller und bei langsamer Drehung der auf der Spindel 3 fest aufliegenden Magnetplatte 7 bestimmt werden kann. Dieser Daten- und Signalaustausch kann über eine separate und/oder die Schnittstellen der Meßrechner in bekannter Weise erfolgen.
Alternativ ist auch die Verwendung eines einzigen Meßrechners möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf:
Zunächst wird die Magnetplatte mit den darauf enthaltenen Defekten in den MAG-Tester eingelegt und die Defekte als Störung des Lesesignals bei hoher Drehzahl detektiert. Die Koordinaten ri, ϕi der Defekte werden ermittelt und für die Motorsteuerungen aufbereitet. Anschließend wird ein beliebiger Defekt ausgewählt.
Ein Schrittmotor dreht die Spindel nun langsam (ca. 50 rpm), bis das Indexsignal detektiert wird und wieder abfällt. Während das Indexsignal anliegt, können die Motorschritte bis zum Abfall des Signals gezählt werden. Die Mitte des Indexsignals wird als Index 0 gesetzt.
Nun wird die Schrittzahl abgezählt, die benötigt wird, um vom Index 0 zur Analyseposition ϕi + Δϕ zu kommen, wobei Δϕ den Winkeloffset zwischen Schreib-/Lesekopf und AFM/MFM-Meßkopf bezeichnet. Δϕ muß dabei einmalig bei der Initialisierung des Geräts bestimmt werden.
Ein Lineartisch bewegt den AFM/MFM-Meßkopf nun auf die Radiusposition ri des Defekts und die AFM/MFM-Charak­ terisierung in der lokalen Umgebung des Defekts wird durchgeführt. Hierbei ist es also nicht notwendig, die Magnetplatte aus dem einen Gerät zu entfernen und in das andere einzulegen. Zusätzliche Messungen zum Aufsuchen des Defekts entfallen somit.
Die gleiche Prozedur kann für weitere Defekte auf der Magnetplatte wiederholt werden. Der Zeitaufwand für die Positionierung beträgt ca. 5-10 Minuten. Für die Gesamtcharakterisierung werden etwa 60 Minuten pro Defekt benötigt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also bei gleicher bzw. besserer Qualität eine dramatische Zeiterparnis erreicht werden.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Möglichkeit, erweiterte parametrische Messungen über das MFM-Signal zur Charakterisierung der Magnetplatte oder des Schreibelements durchführen zu können.
Außerdem ist nach einer vollständigen Analyse der Magnetplatte diese weder beschädigt noch kontaminiert, so daß eine weitere Verwendung bzw. weitere Analysen an der Platte möglich ist.
Zudem besteht die Möglichkeit (bspw. durch Tintenstrahldüsen), den Defektort bei stehender Platte mechanisch zu markieren. Dadurch kann der Defekt anderen Charakterisierungsmöglichkeiten zugänglich gemacht werden.
Des weiteren können AFM/MFM-Linescans mit dem gestörten Signalverlauf örtlich zur Deckung gebracht werden, um so die physikalischen Ursachen der Signalstörung zu beleuchten.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur gezielten Detektierung und gleichzeitigen Charakterisierung von Defekten auf der Oberfläche von Magnetplatten, bestehend aus einer Kombination eines MAG-Testers mit einem hochauflösenden Analysegerät.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochauflösende Analysegerät ein Atomic Force Microscope (AFM) oder ein Magnetic Force Microscope (MFM) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochauflösende Analysegerät ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lichtmikroskop, Profilometer und Micro-Raman-Gerät.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MAG-Tester um den Meßkopf und die Meßelektronik des AFM oder MFM erweitert ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der MAG-Tester und das Analysegerät ein festes, gemeinsames Koordinatensystem besitzen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Positionierelemente für den Meßkopf des hochauflösenden Analysegerätes vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schreib-/Lesekopf des Spin-Testers und der Meßkopf von verschiedenen Positionen auf die zu untersuchende Magnetplatte zugreifen.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung durch eine zusätzlichen, langsam drehenden, hochwinkelauflösenden Schrittmotor für den Spindelantrieb ergänzt wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bestehende Spindelantrieb so modifiziert ist, daß geringe Drehgeschwindigkeiten und hohe Winkelgeschwindigkeiten realisierbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung um eine mechanische Markierungseinrichtung erweiterbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungseinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tintenstrahldüse, Laser und Stahlnadel.
12. Vorrichtung zur gezielten Detektierung und gleichzeitigen Markierung von Defekten auf der Oberfläche von Magnetplatten, bestehend aus einer Kombination eines MAG-Testers mit einer mechanischen Markierungseinrichtung.
13. Verfahren zur gezielten Detektierung und gleichzeitigen Charakterisierung von Defekten auf Oberflächen von Magnetplatten durch eine Kombination eines MAG-Testers mit einem hochauflösenden Analysegerät, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • a) Detektierung der Defekte als Störung des Lesesignals des MAG-Testers und Festlegung der Koordinaten ri, ϕi des Defekts,
  • b) Detektieren des Indexsignals und Bestimmung der Mitte des Indexsignals,
  • c) Anfahren der Radiusposition des Defekts und der Analyseposition in einem Winkel ϕi + Δϕ und
  • d) Charakterisierung des Defekts mit Hilfe des hochauflösenden Analysegeräts.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Analysegerät ein AFM/MFM verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Analysegerät ein Gerät ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lichtmikroskop, Profilometer und Micro- Raman-Gerät verwendet wird.
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