DE3304561A1 - Verfahren zum anbringen von nuten in einem weichmagnetischen substrat - Google Patents

Verfahren zum anbringen von nuten in einem weichmagnetischen substrat

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DE3304561A1 DE19833304561 DE3304561A DE3304561A1 DE 3304561 A1 DE3304561 A1 DE 3304561A1 DE 19833304561 DE19833304561 DE 19833304561 DE 3304561 A DE3304561 A DE 3304561A DE 3304561 A1 DE3304561 A1 DE 3304561A1
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Description

PHN 10.248 y 10.1.1983
"Verfahren zum Anbringen von Nuten in einem weichmagnetischen Substrat"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen von Nuten in einem Substrat aus einem weichmagnetischen, eisenhaltigen ¥erkstoff, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ferriten, Ni-Fe-Legierungen und Al-Fe-Sl-Legierungen besteht.
Bei der Herstellung magnetischer Transduktor-'., - - <■
,_ köpfe mit Kernen aus einem weichmagnetischen, eisenhal-
tigen Werkstoff wie Ferrit muss das Ferrit für den Kopfkern manchmal mit Nuten versehen werden. Eines der bekannten Verfahren besteht im Schleifen von Nuten in einen Satz Ferritblöcke, die darauf aneinander geklebt werden. Eine derartige mechanische Bearbeitung schafft jedoch keine genügende Abmessungsgerechte Genauigkeit. Dies ist insbesondere der Fall bei der Herstellung eines Videokopfes, der eine sehr hohe Präzision erfordert. Es ist daher schwer, Magnetköpfe mit gleichen Charakteristika wirtschaftlich herzustellen. Ausserdem ergeben mechanische Bearbeitungen Fehler und verursachen die eingeführten Spannungen einen Rückgang in den Magneteigen- ^. 20 schäften des Ferrits. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass sogar die Bearbeitung eines Ferrits mit Hilfe eines Lasers unerwünschte Spannungen einführt.
Verfahren, die keine Spannungen einführen, sind die nasschemischen(und das elektrolytische Ätzen). Dabei wird eine konzentrierte Säure benutzt, z.B. konzentrierte Phosphorsäure.
Bei diesen Verfahren wird auf dem (Ferrit-)Gegen-,stand eine Maskenschicht angebracht, die dann auf photografischem Wege mit einem gewünschten Muster versehen und in einem Entwickelgang selektiv entfernt wird. Bei elektrolytischem Ätzen erfolgt Eintauchen in eine Elektrolysezelle, wobei der (Ferrit-) Gegenstand und eine Elektro-
PHN 10.248 X 10.1.1983
de einander gegenüber und im Absstand voneinander in ein Ätzelektrolytbad eingetaucht werden, der (Ferrit-) Gegenstand als Kathode wirkt und die Ätzung unter den entfernten Zonen erfolgt. Bei den Ferriten lässt sich Mn-Zn-Ferrit tatsächlich auf diese "Weise ätzen. Jedoch nicht Ni-Zn-Ferrit, das eine niedrigere Leitfähigkeit besitzt. (Ein zusätzliches Problem bei Ni-Zn-Ferrit besteht darin, dass es bei einem nasschemischen Ätzverfahren auf inhomogene Weise geätzt wird). Ein Nachteil elektrolytischen Ätzens ist, dass dem Elektrolyt unter der Maskenschicht an den Grenzen der Musterlinien vorbei kriechen kann, wodurch eine bestimmte Unterätzung oder Seitenätzung auftreten kann. Ausserdem eignet sich das elektrolytische Ätzen nicht zum Ätzen tieferer Nuten, weil es ein sogenanntes diffusionsbeschränktes Verfahren ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besseres Verfahren zum Anbringen von Nuten in einem Substrat aus weichmagnetischem, eisenhaltigem Werkstoff, insbesondere Mn-Zn-Ferro-Ferrit oder Ni-Zn-Ferrit, zu schaffen und diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass es mit Hilfe eines reaktiven Ionenätzverfahrens in einem chlorhaltigen oder bromhaltigen Plasma erfolgt, wobei die nicht zu ätzenden Gebiete von einer Maske aus anorganischem Werkstoff abgedeckt sind.
Auf obige Weise angebrachte Nuten weisen kaum oder keine Unterätzung auf und können bis zu einer beträchtlichen Tiefe angebracht werden. Obgleich Eisen in Verbindung mit Chlor oder Brom nicht flüchtig ist, ist daneben auf unvorhergesehene Weise die Ätzgeschwindigkeit dennoch so hoch, dass das Verfahren auch industriell anwendbar ist.
Ein wesentlicher Aspekt dabei ist, dass das Verfahren in einem Kathodenzerstäubungsätzsystem erfolgt, das die Lieferung ausreichend hoher Leistungen ermöglicht.
Es zeigt sich, dass z.B. mit Leistungen von 0,5 - 2,5 V/cm2 in der Praxis gute Ergebnisse erreicht werden. Insbesondere wenn das Verfahren in einem asymmetrischen Ka-
PHN 10.248 pf IO.I.I983
thodenzerstäubungsätzsystem erfolgt, können die erforder-
2 T
lichen hohen Ionenenergien (10 -10 eV) verwirklicht werden.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Ver-Wendung eines Maskenwerkstoffs, der nicht schneller abgeätzt wird als der Werkstoff des zu ätzenden Gegenstands. Es zeigt sich, dass Werkstoffe organischer Art (Lacke) diese Anforderungen nicht erfüllen. Es zeigt sich, dass Al, Ni und Legierungen von Ni und Fe etwa gleich schnell wie Ferrit abgeätzt werden und also als Maskenwerkstoff beim reaktiven Ionenätzen von Ferrit dienen können.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Ätzen von Ferrit aber A12O„ als Maskenwerkstoff benutzt. Dies wird fünf- bis zehnmal langsamer als Ferrit abgeätzt.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren in einem Kathodenzerstäubungsätzsystem durchgeführt, in dem ein chlorhaltiges oder bromhaltiges Plasma mit einem Partialdruck in der Grössenordnung von 10 mbar vorhanden ist. Dies ist ein für diese Art von Verfahren verhol tnismässig niedriger Druck, was damit im Zusammenhang steht, dass auf dem geätzten Produkt keine Reaktionsprodukte kondensieren dürfen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Vorderansicht zweier miteinander verkitteter Ferritkernblöcke,
Figur 2 einen Querschnitt in der Ansich entlang der Ebene II-II der Figur 1,
Figur 3 eine Ansicht eines Magnetkopfs in der Perspektive, der durch geeignetes Schneiden des Gefüges der Figur 1 und 2 erhalten worden ist, Figur h und 5 sind schematisch und stark vergrösserte Darstellungen des reaktiven Ionenätζverfahrens,
Figur 6 schematisch eine Vorrichtung zu einem reaktiven Ionenätzverfahren nach der Erfindung,
PHN 10.248 ^ 10.1.1983
Figur 7 eine schematische Darstellung eines mit Hilfe der Erfindung bearbeiteten Ferritblocks.
Ein Verfahren zum Schaffen von Nuten in Ferrittransduktorköpfe wird anhand der Figur 1 bis 5 beschrieben.
Zuerst werden zwei Ferritkernblöcke 1 und 2 geschaffen, die mit ihren Seitenflächen 1a bzw. 2a miteinander verkittet werden. Die Fläche 1a des Blocks 1 enthält eine Anzahl die Spurbreite bestimmender Nuten 3» die in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander verlaufen. Wie noch näher erläutert wird, sind diese Nuten mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens angebracht. Die Oberfläche 2a des Blocks 2 wird mit einer Wickelöffnung 4 versehen, die in einem geringen Abstand von der Ebene 2b liegt, die in der Verlängerung der Fläche 1b des Blocks 1 liegt und die Tiefe eines nicht-magnetischen Spalts bestimmt, der die Nuten 3 kreuzt. Der Block 2 wird auch mit einem Einschnitt 5 versehen, dessen Fläche einerseits durch die Fläche 2a und zum anderen durch die Fläche 2c begrenzt wird, die in der Verlängerung der Fläche 1c des Blocks 1 liegt.
Beim Zusammenfügen der Blöcke 1 und 2 werden die Oberflächen 1a und 2a einander gegenüber gestellt, wobei die Flächen 1c und 2c nach oben und die Flächen 1b und 2b nach unten gerichtet sind. Dabei werden Glasstäbe (nicht dargestellt) in den Einschnitt 5 und die Nut 4 eingeschoben, wonach das Gefüge erwärmt wird, bis die Glasstäbe in den Nuten 3 zwischen den Nuten 1a und 2a schmelzen, um nach dem Abkühlen die Blöcke 1 und 2 miteinander zu verkitten.
Die miteinander verkitteten Blöcke 1 und 2 werden derart geschnitten, dass jede Schnittfläche durch jede Nut 3 in ihrer Längsrichtung verläuft, wie in Figur 1 mit gestrichelten Linien angegeben. Um den Block 2 herum wird dabei über die Nut 4 eine Windung 6 zum Schaffen eines Magnetkopfs nach Figur 3 angelegt. Der Kopf 7 in Figur 3 enthält in jeder Nut 3 eine Glasablagerung 8, einen Halbkern 9» den der Block 1 bildet, und einen Halbkern 10, den der Block 2 bildet. Zwischen den Halbkernen 9 und 10
PHN 10.248 y·^ " " 10.1.1983
befindet sich ein nicht magnetischer Arbeitsraum 9» dessen Länge in Richtung der Spurbreite von den Nuten 3 und die Tiefe von der Nut 4 begrenzt wird.
Zur Beseitigung der Nachteile der bekannten Verfahren schafft die Erfindung ein reaktives Kathodenzerstäubungsverfahren, von dem in Figur h und 5 schematisch zwei Schritte dargestellt sind. Dabei wird zunächst auf einem (Ferrit-) Gegenstand 13 eine Ätzmaske 11 beispielsweise mit einem Fenster 11b angebracht, dessen Stelle mit einer zu bildenden Nut auf dem Gegenstand 13 zusammenfällt, wie aus Figur 5 ersichtlich ist. Die Ätzmaske 11 kann dadurch gebildet werden, dass zunächst eine Maskenschicht auf dem Ferrit und darauf eine lichtemfindliche Lackschicht 23 angebracht wird, die Lackschicht 23 bildweise belichtet und dann entwickelt wird, normalerweise mit Lösemittel zum Schaffen eines vorgegebenen Musters mit einem Fenster 23a. Die Maskenschicht 11 wird dabei durch das Fenster 23a der Lackschicht hindurch mit einer konzentrierten Säure zur Bildung eines Fensters 11b geätzt.
Die Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens beispielsweise bei der Herstellung von Magnetköpfen stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Maske. Nach dem Ätzen müssen beispielsweise Zonen mit einer Breite von 20 /um bei einer Länge von 50 /um und mit Wänden zurückbleiben, die sich nahezu senkrecht zur Oberfläche erstrecken. Es ist also wichtig, dass auch die Wände der Offnungen in der Maske geradlinig zur Oberfläche verlaufen. Zur Verwirklichung einer derartigen Maske können verschiedene Wege begangen werden.
Ein erster Weg ist das definierte (galvanische) Züchten der Maske in einem Lackmuster. Ein nasschemisches Ätzverfahren ist dabei nicht erforderlich. Ein derartiges Verfahren ätzt in der Regel isotrop, d.h. es veranfasst das Entstehen von Wänden, die einen Xiinkel ungleich 90°
>
mit der Oberfläche bilden. Werkstoffe, die sich definiert
zücliten lassen, sind Ni und die Legierungen von Ni und
VWW WW VW V W * W WW WW
PHN 10.248 ß'g IO.I.I983
Fe. Also eignen sich dies'e Werkstoffe als. Maskenwerkstoff beim erfindungsgemässen Verfahren. Vorzugsweise wird durch elektrolytische Abscheidung in einem Lackmuster eine Maske aus Ni oder aus einer Ni- und Fe-Legierung suf dem Substrat aufgewachsen. Al wird etwa gleich schnell abgeätzt wie Ni, aber da es sich nicht definiert in einer Lackschicht züchten lässt, muss es nach dem Aufstäuben in Schichtform einem Ätzverfahren zum Erzeugen des gewünschten Musters unterworfen werden.
Ist der zu ätzende Gegenstand aus Ferrit, ist es wichtig, dass der Maskenwerkstoff beim reaktiven Ionenätzverfahren nicht schneller als das Ferrit abgeätzt wird. Ni und Legierungen von Ni und Fe werden wie Al etwa gleich schnell wie Ferrit abgeätzt. Ag, Cr und SiO„ werden schneller als Ferrit abgeätzt und organische Werkstoffe wie Lacke sogar um ein Vielfaches schneller; Ag, Cr und SiO„ sind weniger geeignete und organische Werkstoffe ungeeignete Maskenwerkstoffe, wenn es sich um das Ätzen von Ferritgegenständen handelt, und bestimmt ungeeignet, wenn Tiefen bis zu 1 oder 2/um geätzt werden müssen. Zwar könnte jedesmal, wenn die Maske abgeätzt und die gewünschte Tiefe noch nicht erreicht ist, eine neue Maske angebracht werden, aber dies ist ein sehr unwirtschaftliches Verfahren.
Der in dieser Hinsicht geeignetste Werkstoff, der bisher gefunden wurde, ist A1„O„, das in der Verbindung mit HCL als Plasma fünf- bis zehnmal langsamer als Ferrit abgeätzt wird. Zum Erhalten einer Al„O„-Maske mit Offnungen mit geraden Wänden muss eine Al O„-Schicht einem anisotropen Ätzverfahren unterworfen werden. Hierfür kann vorteilhaft ein reaktives Ionenätzverfahren verwendet werden, bei dem als reaktives Gas ausser chlorhaltigen oder bromhaltigen Plasmen insbesondere CHF „ in Betracht kommt, da es sich herausgestellt hat, dass dies das auf der Ätzmaske angebrachte Lackmuster minimal angreift, wodurch ein gut definiertes Ätzen der Maske ermöglicht wird. Ein zusätzlicher Vorteil des reaktiven Ionenätzens
«ΝΑ*
PHN 10.248 yj/ώΙ ΙΟ.Ι.Ι983
der Maske besteht darin, dass das nachfolgende reaktive Ionenätzverfahren des zu ätzenden Gegenstands in der gleichen Kathodenzerstäubungsätzglocke erfolgen kann, möglicherweise nach der Anpassung der Ätzparameter (Gasart, Gasdruck, Hochfrequenz-Leistung) an den Werkstoff, aus dem der zu ätzende Gegenstand besteht. Es kann beispielsweise mit CHF- kein Ferrit geätzt werden. Es hat sich gezeigt, dass chlorhaltige Plasmen wie HCl, BCl,, und Cl2 sich zu diesem Zweck eignen. Wichtig dabei ist, dass sie das Kathodenzerstäubungsätzsystem beim Ferritätzen minimal verunreinigen.
Eine für das erfindungsgemässe Verfahren geeignetes Kathodenzerstäubungsätzsystem ist in Figur 6 dargestellt. Diese Figur zeigt ein asymmetrisches Kathodenzerstäubungsätzsystem 14 mit einer Elektrode 17 und einer Gegenelektrode 16, die mit einer Hochfrequenzquelle 18 verbunden ist. Der asymmetrische Aufbau des Systems 14 ermöglicht das Ätzen der Gegenstände bei den erforderlichen relativ hohen Leistungen (z.B. von 0,5 - 2,5 Wem2). Es sei dabei bemerkt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Leistung und der Ätzgeschwindigkeit besteht. Je grosser die erforderliche Ätzgeschwindigkeit (beispielsweise, wenn die Nuten ganz tief werden sollen), umso grosser muss die Leistung der Quelle 18 sein. Die Hockfrequenzleistung und der Druck und der Fluss des reaktiven Gases, das durch einen Eintritt 15 eingeführt wird, werden derart eingestellt, dass gerade keine bei der Reaktion freiwerdenden Reaktionsprodukte sich auf dem zu ätzenden Gegenstand ablagern. Das Ätzen erfolgt bei verhältnismässig
_2 niedrigen Drucken in der Grössenordnung von 10 mbar.
Stellen 12 auf dem zu bearbeitenden Ferritgegenstand 13, die beispielsweise für die Nuten 3 zum Beschränken der Spurbreite bestimmt sind, die Nut h zum Aufnehmen der Windung 6 oder der Einschnitt 5 sind durch die Fenster 11b mit dem Ätzverfahren erreichbar, während der Rest mit einer Ätzmaskenschicht 11 bedeckt bleibt (siehe Figur 5).
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PHN 10.2^8 ßf IO.I.
Das reaktive Ionenätzverfahren ,nach der Erfindung schafft eine ziemlich tiefe, jedoch nichtsdestoweniger, gut definierte Ätzung.
Ausserdem ist die Ätzungsgeschwindigkeit wesentlieh grosser als die der Kathodenzerstäubungsätzverfahren in nichtreaktiven Gasen, wie z.B. Ar, die ausserdem wie nasschemische Verfahren den Nachteil aufweisen, dass bei polykristallinen Werkstoffen die Kristallgrenzen angeätzt werden, wodurch kraterförmige Oberflächen entstehen.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können also mit hoher Präzision feine, verhältnismässig tiefe Muster in Ferrit geschaffen werden, die für eine industrielle Fertigung geeignet sind.
In Figur 7 ist eine schematische Darstellung eines kleinen Gebiets eines geätzten Mn-Zn-Ferritgegenstands 20 nach dem Entfernen der Ätzmaske dargestellt. Eine Zone 21 ist ein Gebiet, in dem das Ferrit nicht geätzt wurde. Die Tiefe D der Nuten 22, die die Zone 21 vollständig umgeben, betrug 12 /um, während die Abmessungen w und 1 der Zone 21 bzw. 20 und 50 /um betrugen.
Ausser zur Herstellung spaltbegrenzender Nuten kann das erfindungsgemässe Verfahren des rekativen Jonenätzens von Ferrit auch zur Herstellung von Nuten, in die Leiterwindungen (sog. "buried coils") aufgenommen werden zum Herstellen aerodynamischer Nuten in der Schwebefläche einer Kopfzusammensetzung für Plattenspeicher (sog. "magnetic head glider") oder zum Herstellen nicht-magnetischer Unterbrechungen im Ferrit verwendet werden, die ein Magnetelement zur Bildung einer Magnetschaltung überbrückt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann sowohl auf monokristallinen Ferriten, als auch auf polykristallinen Ferriten angewandt werden.
Weiter kann das erfindungsgemässe Ätzverfahren ausser auf weichmagnetischen Werkstoffen wie Mn-Zn oder Ni-Zn-Ferriten auch auf anderen Fe-haltigen weichmagnetischen Werkstoffen angewandt werden, wie Ni-Fe-Legierungen und Al-Fe-Si-Legierungen.
PHN 10.248 ΧΛ 10.1.1983
Insbesondere werden gute Ergebnisse bei der Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf einem Mn-Zn-Ferro-Ferrit mit einer Zusammensetzung hinsichtlich der Metallanteile in einem Dreieck ABC in einem ter-
nären Zusammensetzungsdiagramm der MnO-ZnO-Fe?O,,~System erreicht, wobei die Punkte A, B und C wie folgt definiert sind: A: 15 Mol.96 MnO, 30 Mol.# ZnO, 55 M0I.56 Fe3O3; B: k0 Mol.96 MnO, 20 Mol.56 ZnO, ho Mol.$ Fe3O3; C: 30 Mol.$ MnO, 15 Mol.$ ZnO, 55 Mol.# Fe3O3.
Wie obenerwähnt, kann mit dem erfindungsgemassen Verfahren ein Ferrit zur Schaffung sehr gut definierter Nuten geätzt werden, so dass bei der Verwendung auf einem Magnetkopf aus Ferrit die Nachteile, die die bekannte elektrolytische Ätzbearbeitung mit sich bringt, beseitigt sind.

Claims (1)

  1. PHN 10.248 ySi^ IO.I.I983
    PATENTANSPRÜCHE:
    Verfahren zum Anbringen von Nuten in einem Substrat aus einem weichmagnetischen, eisenhaltigen Werkstoff, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Ferriten, Ni-Fe-Legierungen und Al-Fe-Si-Legierungen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das. Anbringen mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens in einem chlorhaltigen oder bromhaltigen Plasma erfolgt, wobei die nicht zu ätzenden Gebiere durch eine Maske aus anorganischem Werkstoff abgedeckt sind.
    1" 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Mn-Zn-Ferro-Ferrit oder aus Ni-Zn-Ferrit besteht und vor dem Ätzverfahren mit einer Maske aus einem Werkstoff versehen wird, der aus der Gruppe von Werkstoffen bestehend aus Ni, Legierungen von Ni und Fe, und Al ausgewählt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ni bzw. die Legierungen von Ni und Fe in einem Lackmuster galvanisch auf dem Substrat gezüchtet werden.
    h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Mn-Zn-Ferro-Ferrit oder Ni-Zn-Ferrit besteht und vor dem Ätzverfahren mit einer Maske aus Al00„ bedeckt wird.
    5· Verfahren nach Anspruch k, dadurch gekenn-
    zeichnet, dass die Al„0„-Maske mittels eines reaktiven Ionenätzverfahrens durch Anbringen eines Musters in einer Al_O„-Schicht gebildet wird.
    6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Ionenätzverfahren
    mit Leistungen von 0,5 - 2,5 W/cm2 erfolgt. 7· Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Ionenätzverfahren in einem
    PHN 10.248 yC 10.1.1983
    2/
    chlorhaltigen oder bromhaltigen Plasma mit einem Partialdruck in der Grössenordnung von 10 mbar erfolgt.
DE19833304561 1982-02-12 1983-02-10 Verfahren zum anbringen von nuten in einem weichmagnetischen substrat Granted DE3304561A1 (de)

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