DE3147360C2

DE3147360C2 - Verfahren zur Herstellung einer Abtastnadel und eine nach diesem Verfahren hergestellte Abtastnadel

Info

Publication number: DE3147360C2
Application number: DE3147360A
Authority: DE
Inventors: Takehara Fujisawa Kanagawa Hideaki
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1981-05-26
Filing date: 1981-11-30
Publication date: 1987-03-26
Also published as: JPS6160486B2; US4480326A; GB2099201B; GB2099201A; DE3147360A1; CH653164A5; US4420675A; JPS57195343A

Abstract

Ein Diamantkörper (A) wird in einer Umgebung mit einem geringen Sauerstoffanteil, mit einem Impulslaserstrahl bestrahlt, um die Kohlenstoffatome des Diamanten in eine Leitschicht zu wandeln, die als Nadelelektrode dient. Vor diesem Wandlungsvorgang kann der Diamantkörper in eine Umgebung gebracht werden, die einen größeren Sauerstoffgehalt besitzt und mit dem Laserstrahl bestrahlt werden, um den bestrahlten Bereich (40) zur Ausbildung einer Nut zu karbonatisieren, so daß die Elektrode am Nutgrund gebildet werden kann. Dadurch wird eine Beschädigung der Elektrode vermieden, wenn die Nadel bei ihrer Bewegung auf der Oberfläche der Schallplatte (42) schräg steht oder schwingt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Abtastnadel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine nach diesem Verfahren hergestellte Abtastnadel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
In der DE-OS 31 21 460 ist vorgeschlagen, einen Diamantkörper in Vakuum oder in einer ein inertes Gas enthaltenden Umgebung zu erhitzen, wobei jeweils ein geringer Sauerstoffanteil vorgesehen ist, und die Kohlenstoffatome an der Diamantoberfläche durch Erhitzen in eine Schicht aus leitfähigen Kohlenstoff (Graphit) umzuwandeln. Die Oberfläche ist nach dieser Behandlung insgesamt mit einer leitfähigen Kohlenstoffschicht überzogen, und bis auf die erforderliche, schmale Nadelelektrode muß die gesamte Oberfläche von dieser leitfähigen Schicht wieder befreit werden. Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend.
Anderseits bietet die Ausbildung der Nadelelektrode aus einer leitfähigen Kohlenstoffschicht, die aus dem Diamant- Gitter durch Wärmeeinwirkung gebildet wurde, den Vorteil, daß die leitfähige Schicht sehr innig mit dem Grundkörper verbunden ist und nicht, wie es bei aufgetragenen Elektrodenschichten oder durch Ionenbeschuß mit Hafnium oder Titan hergestellten Nadelelektroden der Fall ist, sich bei Gleitbeanspruchung von dem Grundkörper löst.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Abtastnadel nach dem Kapazitätsprinzip auf einem Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Signale zu schaffen, die einfacher und kostengünstiger herstellbar ist, und die sich trotzdem durch eine innige Verbindung der Elektrodenschicht mit dem Grundkörper aufzeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren des eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Es ist auf diese Weise möglich, in einem engbegrenzten Bereich durch gezielte Erwärmung das Diamantgrundgitter in eine leitfähige Kohlenstoffschicht umzuwandeln, die innig mit dem Grundkörper verbunden ist. Es ist dann keine weitere Nachbehandlung der so hergestellten Nadel mehr erforderlich.
Die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 2 verringert die auf den vorbestimmten Bereich aufzubringende Wärmeenergie. Es muß nur darauf geachtet werden, daß die Erhitzung nur soweit durchgeführt wird, daß noch keine Oberflächenumwandlung auftritt.
Die Ansprüche 3 und 4 ergeben eine besonders einfache Möglichkeit, mit genau richtbaren Energiestrahlungen zu arbeiten.
Wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 5 verfahren, so erhöht sich die Aufnahmefähigkeit des Gitters für die aufgebrachte Energiestrahlung.
Die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 6 ergibt Nadeln, die sich besonders dann als widerstandsfähig erweisen, wenn die Nadel beim raschen Gleiten über die Trägeroberfläche in Schwingungen gerät oder wenn sie durch nicht exakte Führung schräg auf der Trägerplatte aufsitzt. Dieser Vorteil ergibt sich besonders dann, wenn gemäß Anspruch 7 nur der Nutgrund mit einer leitfähigen Schicht versehen wird.
Das in den bisherigen Ansprüchen beschriebene Verfahren ist in einem einzigen Vorgang innerhalb der normalen Atmosphären- Umgebung ausführbar. Zur Ausbildung einer Leitschicht mit hoher Leitfähgkeit wird bevorzugterweise, wie bereits in der DE-OS 31 21 460 beschrieben, eine Unterdruckatmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil oder eine Atmosphäre mit inertem Gas mit einem solchen Sauerstoffanteil benutzt. Der Sauerstoffanteil kann dabei, ähnlich wie bei dem angeführten, vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise im Bereich von einem Fünftel des Gesamtdruckes der Umgebung liegen.
Der Läppvorgang, mit dem der Nadelkörper in die erforderliche Form gebracht wird, kann entweder vor oder nach der Elektrodenausbildung ausgeführt werden.
Schließlich wird die zweite Hälfte der Aufgabe gelöst mit einer Abtastnadel nach dem Anspruch 8.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen
Fig. 1a und 1b Darstellung von typischen Diamantkörpern vor Ausbildung einer Nadelelektrode,
Fig. 2 eine Anordnung zur Ausbildung einer Nadelelektrode mittels eines Infrarotlaserstrahls mit länglichem Querschnitt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorheizeinrichtung für den Diamantkörper, in der die Ausbildung der Elektrode erfolgt,
Fig. 4 eine mit einer Nut versehene Diamantnadel in Arbeitsstellung auf einer Kapazitäts-Aufzeichnungsschallplatte, und
Fig. 5a, 5b und 5c Darstellungen von Verfahrensschritten bei der Ausbildung einer Nut an der Diamantnadel.
Der typische Diamantkörper S nach Fig. 1a besteht aus einem vielflächigen Diamanten mit einer schmalen ebenen Oberfläche A. Ein weiteres Beispiel einer Diamantnadel S nach Fig. 1b weist die Form eines Zylinders B auf, der aus Titan gebildet ist, während ein Kegelstumpf A aus Diamant mittels einer Silberschicht E an eine Stirnfläche des Zylinders B angelötet ist. Bei beiden Beispielen kann das untere Ende des Diamantkörpers so geläppt oder bearbeitet werden, daß eine Berührungsfläche C entsteht, die im Gebrauch mehrere Spuren an einer rillenlosen Kapazitätsaufzeichnung überdeckt; dabei muß in dem Bereich D eine Nadelelektrode ausgebildet werden.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe eines Infrarot-Laserstrahles ist in Fig. 2 dargestellt. Die Vorrichtung enthält eine Quelle 1, die sichtbares Licht abgibt, und ein Linsensystem 2 zur Bildung eines gebündelten Strahles, der strichpunktiert dargestellt ist. In dem Weg des sichtbaren Lichtes ist ein halbreflektierender Spiegel 3, beispielsweise eine durch eine aufgedampfte Silberschicht halbreflektierende Glasplatte, eingebracht, und nach dieser ein Blendenschlitz 4 zur Ausbildung des Strahlquerschnittes in länglicher Form entsprechend einem Bereich D eines Diamantkörpers S (Fig. 1a, 1b) vorgesehen. Ein gepulster Infrarot-Laserstrahl, der gestrichelt eingezeichnet ist, wird von einem Infrarotlaser 5 ausgesandt, in einem Linsensystem 6 zu einem Strahl geeigneten Querschnittes umgeformt und an dem Halbspiegel 3 zur Schlitzblende 4 umgelenkt, an der er den gleichen Querschnitt wie der sichtbare Lichtstrahl erhält.
Der durch den Schlitz 4 hindurchtretende Lichtstrahl wird in einem weiteren Halbspiegel 8 in einen Strahl aufgespalten, der (in Fig. 2) nach unten zu einem Nadelkörper 9 an einer Arbeitsplatte 10 gelangt. Der halbdurchlässige Spiegel 8 erlaubt den Durchtritt von Lichtstrahlen zu einem Mikroskop 11, wobei eine infrarot-undurchlässige Filterplatte 12 zwar das sichtbare Licht durchläßt, jedoch das Infrarotlicht zurückweist. Der durch die Schlitzblende 4 geformte Infrarot-Laserstrahl besitzt einen Querschnitt von 1,5 µm×20 µm. Der Nadelkörper S befindet sich in einer Reaktionskammer 13, die auf Druckwerte in einem Bereich zwischen 4 Pa und 267 Pa (= 3×10^-2 Torr und 2 Torr) evakuiert ist, und einen kleinen Anteil von Sauerstoff enthält, dessen Partialdruck vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 53,3 Pa (= 6×10^-3 Torr bis 0,4 Torr) liegt, d. h. in einem Bereich von einem Fünftel des Gesamtdruckes in der Reaktionskammer 13.
Vor der Aussendung des Laserstrahles wird die Lichtquelle 1 eingeschaltet, so daß deren Lichtstrahl zur Lokalisierung des Bereiches D benutzt werden kann, an dem der Infrarot- Laserstrahl auftreffen soll. Durch Bewegung des Arbeitstisches 10 bei gleichzeitiger Beobachtung durch das Mikroskop 11 kann der Bereich D an dem Nadelkörper genau eingestellt werden. Daraufhin wird die Laserstrahlquelle 5 zur Abgabe eines Laserimpulses mit einer Länge von 20 ns eingeschaltet, so daß der ausgesendete Strahl eine Energie von 0,5 mJ besitzt, die ausreicht, um so viel Wärme zu erzeugen, daß die Kohlenstoffatome des mit sichtbarem Licht markierten Bereiches zu einem Leitzustand gebracht werden. Die durch den Laserstrahl beaufschlagte Fläche wird auf diese Weise zu einer als Nadelelektrode dienenden Leitschicht gewandelt.
Der Laserstrahl kann wiederholt auf den Diamantkörper gerichtet werden, bis ein erwünschter Leitwert oder Schichtwiderstand erreicht ist. Wenn der Diamantkörper mit dem Laserstrahl der beschriebenen Querschnittsgröße und dem genannten Energieinhalt beaufschlagt wird, ergibt sich beispielsweise ein Schichtwiderstand zwischen 300 bis 400 Ω.
Es kann auch ein Infrarot-Laserstrahl mit kleinerem Querschnitt statt des genannten geformen Strahles benutzt werden. In diesem Fall ist eine Strahlablenkung erforderlich, um den gewünschten Bereich des Nadelkörpers zu überstreichen.
Nach Fig. 3 wird in einer weiteren bevorzugten Anordnung ein elektrisch beheizter Ofen 20 zusätzlich in die Reaktionskammer 13 eingebracht, um den Nadelkörper auf eine Temperatur von 650°C bis 750°C vorzuheizen. Durch diese Vorerhitzung kommen die an der Oberfläche gelegenen Kohlenstoffatome in einen Zustand, der sie leichter in den Leitzustand bringen läßt, so daß ein Laserstrahl mit geringerem Energieinhalt Verwendung finden kann.
Schabeversuche zeigen, daß die Leitschicht von dem darunter befindlichen Körper nicht abgetrennt werden kann. Es zeigt sich auch, daß ein glatter Übergang zwischen dem Diamantkörper und der an der Oberfläche befindlichen Leitschicht besteht, durch den die starke Bindung der Leitschicht an den Körper erklärbar ist.
Gleichwertige Ergebnisse erhält man, wenn der Diamantkörper in einer Umgebung aus inertem Gas mit einem geringen Anteil von Sauerstoff behandelt wird, wobei der Sauerstoff den genannten Partialdruck besitzt.
Das durch die Schrägstellung oder das Schwingen der Nadel entstehende Problem wird dadurch beseitigt, daß gemäß Fig. 4 eine Nut 40 in dem kegelstumpfförmigen Diamantkörper A der Nadel ausgebildet wird und daraufhin eine Leitschicht an dem Nutgrund in der beschriebenen Weise erzeugt wird, so daß die Elektrode vor der Abschlußkante 41 der Nadel S bei ihrer Bewegung über die in Richtung des Pfeiles 43 umlaufenden Kapazitäts-Schallplatte 42 gleitet. Die Elektrode wird auf diese Weise gegen eine Beschädigung durch Berührung mit der Plattenoberfläche auch dann geschützt, wenn die Nadel gegenüber der Spur schräggestellt ist bzw. schwingt.
Die Nut 40 wird dadurch ausgebildet, daß die Nadel 9 in eine Normal-Atmosphärenumgebung eingebracht wird, oder der Druck in der Reaktionskammer 13 erhöht wird, um dadurch den Sauerstoffgehalt zu erhöhen. Dann wird ein gepulster Laserstrahl auf den durch den Strahl sichtbaren Lichtes markierten Bereich gerichtet. Infolge der erhöhten Sauerstoffmenge werden die Kohlenstoffatome in dem Auftreffbereich des Strahles "karbonatisiert" und eine Nut 40 ausgebildet. Es wird eine Nut mit einer Tiefe von ca. 200 bis 300 nm geschaffen, mit einem Oberflächenbereich von ca. 1 µm×20 µm; dieser Bereich kann sich von dem Querschnittsbereich des Laserstrahles wegen der Konzentration der Wärmeverteilung im Mittelbereich der durch den Laserstrahl bestrahlten Oberfläche unterscheiden. Es hat sich gezeigt, daß bei diesem Nutbildungsvorgang die Kohlenstoffatome am Nutgrund in eine Leitschicht gewandelt wurden mit einem Schichtwiderstand von 4 kΩ pro 2 mm², ausreichend für gewisse Anwendungen.
Der kegelstumpfförmige Diamantkörper wird normalerweise so poliert, daß die verbleibenden Unregelmäßigkeiten der Oberflächen nicht mehr als die Hälfte der minimalen Wellenlänge oder des Bitabstandes des auf der Spur aufgezeichneten Signales überschreiten. Dadurch wird sichergestellt, daß die an der polierten Oberfläche gebildete Elektrode die gleichen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten wie der darunterliegende Körper besitzt, so daß nicht ein einziges Bit des aufgezeichneten Signals verloren gehen kann. Wegen dieser polierten Oberfläche kann ein wesentlicher Anteil der auftreffenden Laserenergie durch Oberflächenreflexion verloren gehen. Damit die Diamantoberfläche die Laserenergie absorbiert, wird vorzugsweise eine lichtabsorbierende Schicht 50, die leitfähig oder nichtleitend sein kann, gemäß Fig. 5a durch Zerstäubung, Vakuumaufdampfen oder auf andere Weise aufgebracht. Der auf die absorbierende Schicht 50 auftreffende Laserstrahl wird dann in Wärme gewandelt. Nachdem entsprechend Fig. 5b eine Nut 51 ausgebildet ist, wird, falls die Schicht 50 aus leitfähigem Material besteht, diese gemäß Fig. 5c vollständig entfernt. Eine Absorptionsschicht 50 aus nichtleitendem Material braucht nicht entfernt oder abgeätzt zu werden, da sie keine schädliche Auswirkung auf den Betrieb der Nadel bringt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Abtastnadel zum Erfassen von nach dem Kapazitätsprinzip auf einer Trägerplatte aufgezeichneten Signalen, bei dem ein Diamantkörper in eine sauerstoffhaltige Umgebung eingebracht und aufgeheizt wird, so daß an der Oberfläche des Diamantkörpers eine leitfähige Kohlenstoffschicht entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Bereich (A) des Diamantkörpers (S), der sich von der Berührungsstelle der herzustellenden Abtastnadel mit dem Aufzeichnungsträger weg erstreckt, mit einem Strahl von Wärme erzeugender Energie bestrahlt wird, um die Kohlenstoffatome in dem Diamantgitter in diesem Bereich zu einer leitfähigen Kohlenstoffschicht umzubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantkörper (S) vor der Bestrahlung aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl aus Wärme erzeugender Energie ein Laserstrahl ist, der auf den vorbestimmten Bereich (A) gerichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl ein Infrarot-Laserstrahl ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bestrahlen des Diamantkörpers mindestens in dem vorbestimmten Bereich eine lichtabsorbierende Schicht (50) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bestrahlen zur Ausbildung der leitfähigen Kohlenstoffschicht mit Hilfe eines Laserstrahls eine Nut (40, 51) ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbilden der Nut (40, 51) ein Infrarotlaserstrahl auf den Nutgrund (40) zum Umwandeln der Kohlenstoffatome in dem Diamantgitter zu einer leitfähigen Kohlenstoffschicht gerichtet wird.

8. Abtastnadel, die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist, mit einem Diamantkörper, mit einer Auflagefläche zum Aufsitzen auf einer Trägerplatte und einer sich von der Auflagefläche weg erstreckenden leitfähigen Elektrode aus einer leitfähigen Kohlenstoffschicht, die aus den Kohlenstoffatomen des Diamantgitters gewandelt wurde, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Seitenfläche eine sich von der Berührungsfläche (C) weg erstreckende Nut (51) vorgesehen und die leitfähige Schicht an dem Nutgrund (40) ausgebildet ist.