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Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur für ver-
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tikale magnetische Datenspeicherung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung einer Schichtstruktur für vertikale magnetische Datenspeicherung,
wobei die Schichtstruktur eine auf ein Substrat aufgebrachte Trägerschicht aus nichtmagnetischem
Material aufweist, in die eine Mikronadelstruktur aus einer Vielzahl von senkrecht
zur Substratoberfläche angeordneten Nadeln aus magnetisierbarem Material eingebracht
ist, die eine Formanisotropie zur Folge hat.
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Ganz allgemein handelt es sich dabei um die Herstellung von magnetischen
Aufzeichnungsträgern mit senkrecht zur Aufzeichnungsfläche erfolgender Aufzeichnung.
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Ein magnetischer Aufzeichnungsträger, bei dem die Aufzeichnung bzw.
das Lesen, allgemein gesprochen das Speichern der Information, senkrecht zur Aufzeichnungsfläche
erfolgt, ist bereits aus der deutschen Offenlegungsschrift 28 27 870 bekannt. Dabei
wird eine Speicherschicht verwendet, deren leichte Magnetisierungsachse bzw. Anisotropie
senkrecht zur Fläche des Aufzeichnungsträgers steht. Unterhalb dieser Speicherschicht
ist eine weichmagnetische Schicht, beispielsweise aus Permalloy bestehend, vorgesehen,
um zum einen die Streufeldstärke zur Erhöhung des Lesesignals zu verstärken und
zum anderen ein Ubersprechen zur Speicherschicht auf der anderen Seite des Trägers
zu vermeiden. Durch eine solche Anordnung ist eine wesentlich höhere Speicherdichte
als bei den bisher allgemein üblichen longitudinalen Aufzeichnungsverfahren zu erzielen,
bei dem die zu speichernden Informationen in parallel zur Ebene des Aufzeichnungsträgers
ausgerichteter
Richtung, entsprechend der in dieser Richtung verlaufenden
Magnetisierungsrichtung des Speichermediums, longitudinal aufgezeichnet sind.
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Nachteilig bei diesen Aufzeichnungsträgern ist, daß an das Material
für die Speicherschicht sowohl hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften als auch
hinsichtlich der Abrieb- und Gleiteigenschaften Forderungen zu stellen sind, deren
gleichzeitige Erfüllung Schwierigkeiten bereitet.
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Ein zum vertikalen Speichern von Informationen geeignetes anisotropes
magnetisches Aufzeichnungsmaterial mit zum Träger senkrecht angeordneten Magnetpartikeln
ist aus der deutschen Auslegeschrift 23 09 594 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung
ist das magnetische Speichermaterial in Aluminiumoxyd-Mikroporen eingebracht, welche
senkrecht auf dem Aufzeichnungsträger stehen. Der Aufzeichnungsträger, im allgemeinen
das Substrat, besteht primär aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, deren
Oberfläche durch anodische Oxydation mit diesen Poren versehen ist. Diese Poren
werden dann anschließend in einem elektrochemischen Prozeß mit magnetischem Material
gefüllt. Die Poren haben eine kleine Dicke im Verhältnis zu ihrer Länge, so daß
das Magnetmaterial eine Form-Anisotropie besitzt, die senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungsträgers
gerichtet ist, und somit eine vertikale Magnetisierungsrichtung beinhaltet.
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Bei diesem bekannten magnetischen Aufzeichnungsträger besteht das
Substrat, d.h. der Kern des Aufzeichnungsträgers, welcher auch seine mechanische
Festigkeit bestimmt, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Einschlüsse im
Substratmaterial, die nicht aus Aluminium bestehen, d.h. im allgemeinen fremdphasige
Einschlüsse, wirken sich
als magnetische Störung derart aus, daß
bei der Aufzeichnung Störungen entstehen. Das Trägermaterial bzw. das Substrat bestimmt
die mechanische Festigkeit, insbesondere, wenn an feste Magnetplatten gedacht ist.
Der Träger kann dann bei Verwendung von Aluminium nur aus technischem Aluminium
oder einer technischen Aluminiumlegierung bestehen und nicht aus reinem Aluminium,
da reines Aluminium sehr weich ist. Bei der gegebenen Reinheit von technischen Legierungen
ergibt sich dann beim Anodisierungsprozeß eine rauhe Grenzfläche zwischen Metall
und Aluminiumoxyd. Dies führt dazu, daß die senkrecht angeordneten, quasi stäbchenförmigen
magnetischen Partikel verschiedene Länge und damit verschiedene magnetische Eigenschaften
haben Insbesondere zeigen die Poren Schwankungen im Durchmesser. Auch dieses wiederum
ist für den Aufzeichnungs-Wiedergabevorgang mit nachteiligen Folgen behaftet. Darüberhinaus
ist als entscheidend festzuhalten, daß diese bekannte magnetische Aufzeichnungsträger
keinen magnetisch zweischichtigen Aufbau erlaubt.
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Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in
den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung
einer Schichtstruktur für vertikale magnetische Datenspeicherung anzugeben, bei
dem das magnetische Material der zu bildenden Mikronadelstruktur, das die magnetischen
Speichereigenschaften hinsichtlich Speicherdichte, Lesen und Schreiben bestimmt,
und dem Material der Trägerschicht, deren Oberfläche für die Befliegbarkeit mit
dem Schreib-/Lesekopf maßgeblich ist, weitgehend unabhängig voneinander wählbar
sind.
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Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin
zu sehen, daß definierte Servo- bzw. lokale Datenspuren durch lokale Bildung der
Mikronadelstruktur verwirklichbar sind, daß eine Oberfläche verfügbar ist, von
der
die Befliegbarkeit durch den Magnetkopf bekannt ist, da geeignete mechanische Eigenschaften
wie Glätte und Härte zur Verfügung stehen und daß die Nadelstruktur, insbesondere
Nadeldurchmesser und Nadelzahl unabhängig voneinander genau reproduzierbar und einstellbar
zu verwirklichen sind.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer Erscheinung Gebrauch
gemacht, mit der seit einigen Jahren schnelle Schwerionen nachgewiesen werden. Dabei
wird ein Festkörper in eine sogenannte Festkörper-"Blasenkammer" gebracht und dort
einem Beschuß mit hochenergetischen Schwerionen ausgesetzt. Die den Festkörper durchdringenden
Schwerionen stören entlang ihrer Bahn das Kristallgitter so stark, daß anschließend
feine Kanäle in den Kristall geätzt werden können. Jeder Kanal entspricht einem
einzelnen Schwerion.
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Die Kanäle zeichnen sich durch eine enge Verteilung der Durchmesser
aus, die nahezu gleich groß sind. Die Anzahl der Kanäle ist über die Ionendosis
gut kontrollierbar und unabhängig vom Durchmesser einstellbar. Die Durchmesser der
beim Ätzen erzeugten Kanäle sind gut kontrolliert im Bereich von 10 nm bis 100 ßm
einstellbar. Außerdem ist das Länge/Durchmesser-Verhältnis einstellbar und es wurde
bereits ein Verhältnis von 70 realisiert.
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Diese Erscheinung ist auch bereits Gegenstand der deutschen Offenlegungsschrift
29 51 376. Dort ist ein Verfahren zur Erzeugung von aus Kernspuren hervorgehenden
Mikrolöchern eines einzelnen oder einer abzählbaren Zahl von Ionen eines Beschleunigers,
z.B. von schweren Ionen eines Schwerionenbeschleunigers in Festkörpern beschrieben.
Der Festkörper wird nach der Bestrahlung einem Ätzprozeß unterzogen, bei dem dann
die genannten Mikrolöcher oder Kanäle gebildet werden.
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Anwendungen dieser Erscheinung finden sich "J. Vac. Sci.
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Technol. Vol. 19, Nr. 4, November/Dezember 1981 unter dem Titel "Ion
Interaction with Solids", auf den Seiten 864 und 865. Insbesondere wird die Methode
des Schwerionenbeschusses dort zur Herstellung von einzelnen Löchern in Membranen
und zur Herstellung von Mikrofiltern ausgenutzt. Durch Einschuß von 4.7 MeV Xenon-Ionen
in Hostaphan mit einer Dosis von 1,6 x 107 cm 2werden die Filterwirkung erzeugende
Kanäle von etwa 50 ßm Länge und 0,7 ym Durchmesser beim Ätzen in NaOH erzeugt.
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Eine weitere Anwendung dieser Erscheinung ist der deutschen Offenlegungschrift
29 51 287 zu entnehmen. Dort wird ein Verfahren zur Herstellung von ebenen Oberflächen
mit feinsten Spitzen im «m-Bereich oder kleiner, z.B. von flächigen Feldemissionskathoden
aus leitendem oder halbleitendem Material durch Auffüllen von Hohlräumen in Matrizen
mit nachträglichem Entfernen der die Hohlräume enthaltenden Matrize beschrieben.
Die die Hohlräume aufnehmende flächige Matrize wird mit hochenergetischen Ionen
z.B. eines Schwerionenbeschleunigers bestrahlt. In einem anschließenden ätzprozeß
werden die gebildeten Kernspuren freigelegt. Schließlich werden die lochartigen
Kernspuren bzw. Hohlräume mit leitendem oder halbleitendem Material gefüllt. Man
erhält also eine Nadelstruktur aus leitendem oder halbleitenden Material, die als
Feldemissionskathode verwendet wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die genannte Erscheinung zur
Herstellung einer Schichtstruktur für vertikale magnetische Datenspeicherung angewandt.
Dabei wird auf ein geeignetes Substrat eine Trägerschicht aus nichtmagnetischem
Material, beispielsweise aus Harz aufgebracht. In diese Trägerschicht wird durch
Beschuß mit hochenergetischen Schwerionen geringer Dosis ein Muster von Kernspuren
erzeugt.
Diese Kernspuren werden in einem anschließenden Ätzprozeß in entsprechende Kanäle
umgewandelt. Diese Kanäle werden dann durch ein geeignetes Plattierungsverfahren
mit dem die vertikale magnetische Datenspeicherung erlaubenden magnetischen Material
aufgefüllt. Man erhält also eine Mikronadelstruktur aus einer Vielzahl von senkrecht
zur Substratoberfläche angeordneten Nadeln aus anisotropem magnetischem Material.
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Die Figuren 1 und 2 zeichen einen Ausschnitt aus einer in der genannten
Weise hergestellten Schichtstruktur für vertikale magnetische Datenspeicherung,
beispielsweise einen Ausschnitt aus einer Magnetspeicherplatte. Auf ein geeignetes
Substrat 1 wird zunächst eine dünne weichmagnetische Schicht 2 aufgebracht, auf
der wiederum die mit der Mikronadelstruktur aus magnetischem Material aufgefüllte
Trägerschicht 3 angeordnet ist. Diese Mikronadelstruktur setzt sich aus einer Vielzahl
von Nadeln 4 aus magnetischem Material zusammen, die senkrecht zur Richtung der
Ebene des Substrats 1 ausgerichtet sind. Die Möglichkeit der Datenspeicherung ist
durch die Pfeile 5, 6 und 7 angedeutet. Die Pfeile 6 deuten die Magnetisierungsrichtungen
eines mit Hilfe eines nicht dargestellten Magnetkopfes in die Trägerschicht 3 bzw.
in die Mikronadelstruktur 4 eingeschriebenen Datenmusters an.
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Die Pfeile 7 zeigen schematisch den Streufeldverlauf außerhalb der
Trägerplatte 3. Dieses aus der Oberfläche der Trägerschicht heraustretende Streufeldmuster
entsprechend der Pfeile 7 ist maßgebend für das mit einem entsprechenden Magnetkopf
feststellbare Lesesignal. Die dünne weichmagnetische Schicht 2 kann zweierlei Aufgaben
erfüllen, nämlich einmal dient sie der Ausbildung des magnetischen Schlusses zwischen
den die Information kennzeichnenden Magnetfeldlinien und zum anderen kann sie als
sogenanntes Keimmaterial beim Plattieren der Mikronadelstruktur ausgenutzt werden.
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Die den genannten magnetischen Schluß in der weichmagneti-
schen
Schicht 2 andeutenden Feldlinien sind in der Fig. 1 durch die Pfeile 5 angedeutet.
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Selbstverständlich ist es möglich, durch geeignete Ausblendung beziehungsweise
Steuerung des zur Bildung der Kernspuren eingesetzten Ionenstrahls getrennte definierte
Daten-bzw. Servospuren in Form einer entsprechend aufgegliederten Mikronadelstruktur
auszubilden.
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Nachfolgend wird ein spezielles erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
beschrieben. Als Ausgangsmaterial wird ein Substrat 1, beispielsweise aus AlMg5
oder aus Si verwendet.
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Auf dieses Substrat wird durch Aufdampfen oder Sputtern als weichmagnetische
Schicht 2 eine dünne NiFe-Schicht aufgebracht. Diese Schicht hat beispielsweise
eine Dicke von etwa 100 nm. Die Schicht 2 dient der Verringerung des magnetischen
Widerstandes auf der Unterseite der aufzubringenden Mikronadelstruktur 3, wodurch
ein erhöhter Fluß auf der Oberseite dieser Struktur austritt. Die weichmagnetische
Schicht 2 erhöht damit das abfühlbare Lesesignal. Auf die weichmagnetische Schicht
2 wird beispielsweise durch Auf schleudern von Polyimid, Epoxidharz oder Polyurethan
in einer Dicke von etwa 1 im die Trägerschicht 3 aufgebracht. Diese Trägerschicht
dient als Binder bzw. mechanische Stützmasse für die anschließend herzustellende
Nadelstruktur aus magnetischem Material.
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Zunächst wird die Trägerschicht ausgehärtet. Bei Verwendung von Polyimid
erfolgt die Aushärtung bei 35000 und einer Dauer von 20 min, bei Verwendung von
Epoxidharz bei einer Temperatur von 23500 und einer Dauer von 1 -2 h und bei Verwendung
von Polyurethan bei einer Temperatur von 17500 und einer Dauer von 45 min. Im Anschluß
daran wird der Schwerionenbeschuß durchgeführt. Entweder geschieht dies über der
gesamten Oberfläche der Trägerschicht 3 oder aber lediglich entlang der späteren
Magnet-
spuren. Dieser lokale Schwerionenbeschuß wird entweder
mit einem fokussierten Ionenstrahl oder aber mit einem unfokussierten Ionenstrahl
aber unter Zuhilfenahme einer Blende durchgeführt. Als Ion kommt beispielsweise
Xenon in Frage. Der Beschuß erfolgt mit einer Energie von 1 - 10 MeV und einer Dosis
von 109 - 1010 von 1 - 10 MeV und einer Dosis von 109 - 1010 Ionen/cm², je nach
gewünschtem Partikel-Füllfaktor.
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Nach dem Schwerionenbeschuß werden in der Trägerschicht 3 entlang
der Kernspuren die Kanäle 4 herausgeätzt. Der Durchmesser der gebildeten Kanäle
liegt im Bereich von 50 - 100 nm. Bei Verwendung von Polyimid als Material für die
Trägerschicht 3 erfolgt das Ätzen mit Hydrazin, bei Epoxidharz mit Ketonen oder
Tetrahydrofuran und bei Polyurethan mit heißem Alkohol.
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Schließlich werden in einem letzten Verfahrensschritt die in der Trägerschicht
3 gebildeten Kanäle 4 mit magnetischem Material aufgefüllt. Dabei kann die weichmagneitsche
Schicht 2 als Keimmaterial dienen. Die spezielle, zylindrische Form der Kanäle erlaubt
nicht nur die Anwendung von Plattierungsprozessen, sondern auch die Anwendung von
anderen Beschichtungsprozessen wie Sputtern und Aufdampfen. Als magnetisches Material
kommen beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen von diesen aber auch
mit anderen Metallen wie Chrom in Frage. Bei Anwendung von Elektroplattieren verwendet
man Bäder aus Metallsulfaten und Metallchloriden, zum Beispiel FeS04, FeCl2. Wendet
man ein stromloses Plattieren an, kommen Metallsulfate mit einem Reduktionsmittel
wie NaH2PO2 in Frage. Die Geschwindigkeit mit der die Füllung der Kanäle erfolgt,
liegt beim Elektroplattieren im Bereich von 10 - 100 ßm/h und im Falle von stromlosem
Plattieren im Bereich von 1 - 10 #m/h.
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Es sei hervorgehoben, daß ein besonderer Vorteil der mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Struktur in der gleichmäßigen Form (Zylinder), Größe und
Flächendichte der magnetischen Nadeln liegt, mit der Konsequenz eines verbesserten
Lesesignal/Rauschverhältnisses und einer höheren Bitdichte.
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