DE69309375T2 - Hochglanzpolierbares Siliziumkarbid mit hoher thermischer leitfähigkeit, Verfahren zur Herstellung und Anwendung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung ist auf hochglanzpolierbares, mit hoher thermischer Leitfähigkeit ausgestattetes Siliciumcarbid, die Herstellung von solchem Siliciumcarbid durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase und Anwendungen von solchem Siliciumcarbid gerichtet, insbesondere für Hartplattenantriebe und Schreib-Leseköpfe für Kopfplattenanordnungen.
• Es besteht ein Bedarf an verbesserten Substraten für Teile von Kopfplattenanordnungen (auch als "Winchesterantriebe" bezeichnet), besonders an Substraten für harte Platten und Schreib-Leseköpfe.
• Derzeit ist das am weitesten verbreitete Substratmaterial für harte Platten und Schreib- Leseköpfe Aluminium oder Aluminiumlegierung. Um eine Hartscheibe aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung herzustellen, wird ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungssubstrat zu einem Rohling verarbeitet, thermisch geglättet, auf die erwünschte Größe gebracht und abgefast und zu einer Oberflächenrauheit von etwa 25 nm (250 Å) RMS mit Diamant gedreht. Der Rohling wird dann chemisch vorbehandelt, um Aluminiumoxid zu entfernen, bevor er mit einer Unterbeschichtung versehen wird. Die Unterbeschichtung erfolgt typischerweise stromlos mit Nickel/Phosphor mit einem ausreichenden Phosphorgehalt, um nicht magnetisch zu sein. Die Nickel/Phosphor-Schicht wird poliert und dann strukturiert. Auf die Unterschicht wird dann ein magnetischer Überzug aufgebracht, typischerweise eine Kobalt/Phosphor- Legierung. Schließlich wird eine schützende Deckschicht aufgebracht, z. B. gesputterter Kohlenstoff. Weitere Schichten und Alternativverfahren können verwendet werden, je nach dem Hersteller.
• Es besteht ein fortgesetzter Wunsch, höhere Speicherkapazität auf Platten einschließlich höherer Speicherdichte (Bitdichte) und Spurendichte zu erreichen. Aluminium- und Aluminiumlegierungssubstrate haben ihnen eigene Beschränkungen bezüglich der Erzielung höherer Speicher- und Spurendichte. Somit besteht ein Wunsch nach Ersatzmaterialien. Unter den Beschränkungen von Aluminium und Aluminiumlegierungen bezüglich ihrer Verwendung als ein Substrat, bei dem hohe Speicherdichte erforderlich ist, finden sich niedriger Elastizitätsmodul, hoher Wärmeausdehnungskoeffizient und geringe Knoophärte. Außerdem zeigt Aluminium schlechte chemische Beständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Polierbarkeit. Die schlechte Polierbarkeit (beschränkt auf etwa 10 nm [100 Å] RMS) macht die Nickel/Phosphor-Unterschicht erforderlich.
• Verschiedene Materialien wurden als Alternativen zu Aluminium angesehen, wie beispielsweise in der US-Patentschrift Nr.4 808 463 diskutiert ist. Gläser haben bestimmte Vorteile gegenüber Aluminium und Aluminiumlegierungen, wie z. B. sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, doch haben sie auch Beschränkungen als Substrat für magnetische Aufzeichnungselemente, da sie insbesondere elektrisch nichtleitend sind und eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit haben (Watt je Meter je Kelvin [W/mK]).
• Siliciumcarbid hat eine Reihe eigener Eigenschaften, die seine Verwendung als Substrate für magnetische Aufzeichnungselemente nahelegt, insbesondere hohe spezifische Steifheit, Festigkeit, Härte, Wärmeleitfähigkeit, niedrige Wärmeausdehnung sowie chemische Beständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, und außerdem ist es elektrisch leitend.
• Durch Sintern (z. B. japanisches Patent Dokument 88-128 885/19, 12. September 1986, Hitachi KK) und Reaktionsbinden (z. B. US-Patent Nr.4 598 017) hergestelltes Siliciumcarbid wurde für die Verwendung in magnetischen Aufzeichnungsmedien getestet. Um gesintertes Siliciumcarbid herzustellen, wird pulverisiertes Siliciumcarbid mit Sinterhilfsmitteln vermischt und unter Verwendung von Wärme und Druck verdichtet. Die Notwendigkeit von Sinterhilfsmitteln führt dazu, daß das gesinterte Siliciumcarbid Hohlräume (gesintertes Siliciumcarbid hat allgemein eine Dichte von nicht mehr als etwa 90 % der theoretischen Dichte), Verunreinigungen (Rückstände der Sinterhilfsmittel) hat und relativ lockergebundene Kristalle besitzt. Demnach muß gesintertes Siliciumcarbid beschichtet werden, wenn es als ein Substrat für Aufzeichnungsmedien verwendet werden soll. In reaktionsgebundenem Siliciumcarbid füllt Silicium die Hohlräume. So ist reaktionsgebundenes Siliciumcarbid heterogen, wobei das Silicium die erwünschten Eigenschaften von Siliciumcarbid verschlechtert. Die beste Polierbarkeit von reaktionsgebundenem SiC ist 3 bis 5 nm (30 bis 50 Å) RMS. Gesintertes SiC ist noch weniger polierbar.
• Es wurde bereits von anderen vorgeschlagen, Siliciumcarbid, das durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) abgeschieden wurde, als Materialanwärter für Substrate magnetischer Aufzeichnungselemente zu bewerten. Durch CVD hergestelltes Siliciumcarbid kann nahezu 100 % der theoretischen Dichte erreichen, hat eine fest gebundene Kornstruktur und gute Polierbarkeit. Da durch CVD hergestelltes SiC hochglanzpolierbar ist, kann es direkt mit einem magnetischen Beschichtungsmedium beschichtet werden, im Gegensatz zu Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die eine Aufbringung einer Nickel/- Phosphorunterschicht vor der Aufbringung der magnetischen Beschichtung erfordern.
• Siliciumcarbid wird allgemein durch CVD aus einem gasförmigen Gemisch von Methyltrichlorsilan (MTS), H&sub2; und allgemein einem inerten oder nichtreaktiven Gas, wie Argon, Helium oder Stickstoff, abgeschieden, wobei Argon bevorzugt ist. Freistehendes SiC wird typischerweise pyrolytisch auf einem Dorn, wie einem Graphitdorn, abgeschieden, von welchem es entfernbar ist. Das MTS ist die bevorzugte Quelle sowohl für Si als auch für C und liefert diese in stöchiometrischen Verhältnissen (1 : 1). Das H&sub2; spült Cl heraus und produziert dabei HCI. Das inerte oder nichtreaktive Gas wirkt als ein Trägergas von MTS (welches bei Umgebungstemperatur flüssig ist), kann so variiert werden, daß es die Gasströmungsgeschwindigkeit durch den Ofen einstellt, wie sie erforderlich ist, um Reaktionsprodukt, wie HCI, aus dem abgeschiedenen SiC auszuspülen, und wirkt als ein Verdünnungsmittel, das Gasphasenreaktionen verhindert, welche Verunreinigungen in das SiC einführen könnten.
• Die CVD-Herstellung von freistehendem SiC-Material durch einen Ofen mit einer Abscheidungskammer und einem Dorn darin sowie pyrolytische Abscheidung von SiC auf dem Dorn sind beispielsweise in den US-Patentschriften Nr.4 900 374, 4 997 678 und 5 071 596 beschrieben.
• Die vorliegende Erfindung ist auf CVD-abgeschiedenes Siliciumcarbid gerichtet, das besonders für magnetische Aufzeichnungsmedien, besonders Elemente einer Kopf-Platten- Anordnung (HDA) geeignet ist. Das durch CVD gemäß der Erfindung produzierte Siliciumcarbid hat eine Kombination ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und hoher Polierbarkeit, die bisher bei freistehendem Siliciumcarbid nicht erreicht wurden.
• Die Herstellung von HDAs einschließlich harter Platten und Schreib-Leseköpfe ist beispielsweise in R. W. Wood "Magnetic Recording Systems", Proc. of the IEEE, 74 (11), Seiten 1 557 bis 1 569 (1986), C. Warren "Rigid-disk Drives: Capacity, Performance Mount as Size Shrinks", Electronic Design, 28. April 1983, Seiten 139 bis 150, Ivan Flores "Kapitel 5: External Storage" in The Professional Microcomputer Handbook (van Nostrand Reinhold Co., New York, NY, 1986), Seiten 111 bis 151, US-Patent Nr.4 647 494 und Artikel in IBM Disc Storage Technology, Februar 1980, einschließlich "Film Head Development" von D. A. Thompson et al. (Seiten 3 bis 5) und "IB 3370 Film Head Design and Fabrication" von R. E. Jones jr. (Seiten 6 bis 9) beschrieben.
• Hochglanzpolierbarkeit ist ein sehr wesentliches Merkmal eines Substrates für magnetische Aufzeichnungselemente von HDAs oder dergleichen. Die Bereichsdichtespeicherung einer Magnetplatte wird durch die Größe der einzelnen magnetischen Domänen bestimmt, die erreicht werden kann. Die Größe der magnetischen Domäne (oder Zelle) steht in direkter Beziehung zu der Kopfflughöhe, d. h. dem Abstand oder Spalt, über welchen der Schreib- Lesekopf über der harten Platte "fliegt". Je niedriger die Flughöhe ist, desto kleiner sind die magnetischen Domänen, die erreicht werden können. Daher führt niedrigere Flughöhe zu höherer Flächendichte. Die Flughöhe wird durch eine Anzahl von Faktoren gesteuert, wobei die Oberflächenglattheit einer derselben ist. Ein beschränkender Faktor für den Spalt zwischen dem Kopf und der Platte (Flughöhe) scheint die Oberflächenrauheit zu sein. Oberflächenrauheit erzeugt Turbulenz in dem "Luft"-Spalt zwischen der Platte und dem Kopf und bewirkt, daß der Kopf auf die Platte abstürzt, wenn der Spalt zu eng ist. Außerdem führen niedrigere Flughöhen zu höherer Spurendichte auf der harten Platte, was die Gesamtspeicherkapazität der Platte erhöht.
• Die EP-A-494 753 beschreibt ein CVD-Verfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid durch Pyrolyse von MTS in einem Ofen mit einem Durchmesser von 0,5 m bei einer Temperatur von 1350 ºC, einem Druck von 200 Torr, einem Gasströmungsverhältnis H&sub2;/MTS von etwa 5:1 und einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1,5 µm/min.
• Gemäß der Erfindung wird ein freistehendes Siliciumcarbid durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase hergestellt, das sehr hohe Wärmeleitfähigkeit hat, d. h. wenigstens etwa 300 W/mK, eine vorteilhafte Eigenschaft für das Verteilen von Wärme. Das Produkt der Erfindung hat vorzugsweise auch sehr hohe Polierbarkeit, d.h. 0,5 nm (5 Å) RMS oder weniger, gemessen auf einem mechanischen Kontaktprofilgerät nach Talystep, und ist selbst auf 0,1 nm (1 Å) RMS oder weniger polierbar. Das SiC wird mit sehr speziellen Abscheidungsbedingungen unter Verwendung von Methyltrichlorsilan (MTS), H&sub2;-Gas und gewöhnlich einem inerten Trägergas abgeschieden, wobei diese Bedingungen einen Abscheidungskammerdruck von 24,0 bis 29,3 kPa (180 bis 220 Torr), eine Abscheidungskammertemperatur zwischen 1340 und 1380 ºC, eine Abscheidungsgeschwindigkeit zwischen 1,0 und 2,0 µm/min und ein H&sub2;/MTS-Gaspartialdruck-Strömungsverhältnis zwischen 4 : 1 und 10 :1 einschließen. Weiterhin wird als ein Teil des Gasstromes zugeführtes H&sub2; so gereinigt, daß es weniger als ein Teil je Million (ppm) 0&sub2;-Gas enthält, und vorzugsweise werden verschiedene Mittel vorgesehen, um feinteiliges Verunreinigungsmaterial aus der Abscheidungskammer auszuschließen. Das mit CVD abgeschiedene SiC wird maschinell zu seiner Gestaltung für die Endverwendung bearbeitet, z. B. als harte Platte oder ein Schreib- Lesekopf, und auf einer geeigneten Oberfläche oder auf geeigneten Oberflächen hochglanzpoliert. Um eine Hartplatte zu machen, werden die hochglanzpolierten Oberflächen (Hartplatten sind allgemein zweiseitig) mit magnetischen Aufzeichnungsmedien beschichtet, z. B. mit einem magnetischen Kobalt/Phosphor-Legierungsmedium, und allgemein weiterhin mit einem Schutzüberzug versehen, z. B. mit gesputtertem Kohlenstoff. In einem Schreib-Lesekopf wird der Schreib-Lese-Schaltkreis auf einer hochglanzpolierten Oberfläche des Siliciumcarbids, z. B. durch Photolithographie, hergestellt. Weitere Schichten können von verschiedenen Herstellern einbezogen werden. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, das SiC-Substrat zunächst mit Al&sub2;O&sub3; zu beschichten, bevor die magnetische Aufzeichnungsmediumschicht aufgebracht wird.
• Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ofens, der verwendet wird, um SiC gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung herzustellen.
• Fig. 2 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsdarstellung einer Injektordüse, die sich zu der Abscheidungskammer des Ofens von Fig. 1 erstreckt.
• Fig. 3 ist eine weitere vergrößerte schematische Querschnittsdarstellung der Injektordüse von Fig. 2.
• Fig. 4 ist eine schematische Erläuterung einer Vorrichtung, die in der Wasserstoffbeschikkungsleitung verwendet wird, um den Ofen mit im wesentlichen sauerstofffreiem Wasserstoff zu versehen.
• Die vorliegende Erfindung liefert freistehendes SiC mit kubischer (β)-Phase, welches hochglanzpolierbar ist, d. h. 0,5 nm (5 Å) RMS oder weniger, vorzugsweise 0,3 nm (3 Å) RMS oder weniger und am meisten bevorzugt 0,1 nm (1 Å) RMS oder weniger, gemessen auf einem mechanischen Kontaktprofilgerät nach Talystep. Wenn nichts anderes angegeben ist, werden hier die Polierbarkeitswerte auf einem mechanischen Kontaktprofilgerät nach Talystep gemessen. Der Wert der 0berflächenrauheit (Polierbarkeit) kann je nach der Meßtechnik wesentlich variieren. Beispielsweise würden Oberflächen, die auf einem mechanischen Kontaktprofilgerät nach Talystep mit 0,1 nm (1 Å) RMS gemessen wurden, auf einem Überlagerungsprofilgerät nach Zygo niedrigere Meßwerte und auf einem Atomkraftmikroskop größere Meßwerte ergeben. Eine detailliertere Diskussion der Oberflächenrauheitsmessungen findet sich in J. M. Bennett, V. Elings und K. Kjoller, Optics & Photonics 2 (5), May 1991, Setien 14 bis 18 und J. M. Bennett und S. H. Dancy, Appl. Opt. 20, 1984, Seiten 1785 bis 1892. Freistehendes SiC ist zu unterscheiden von SiC-Folien, die von einem Stützmaterial getragen werden und von diesem untrennbar sind, indem freistehendes SiC trägerfrei sein und poliert werden kann. Allgemein ist das dünnste freistehende SiC, welches poliert werden kann, zwischen 0,1 27 und 0,244 mm (5/1000 und 10/1000 in). (Es kann gut sein, daß einige dünne SiC-Folien auf extrem glatten Substraten annäherungsweise oder gleich wie das darunterliegende Substrat hochglanzpoliert werden können.)
• Wie oben erwähnt, ist ein hoher Polierbarkeitsgrad in einem Substrat für magnetische Aufzeichnungselemente erwünscht, um niedrige Flughöhen zwischen dem Schreib-Lesekopf und der harten Platte in einer Kopf-Plattenanordnung (HDA) und folglich hohe Speicherkapazität zu erreichen. Der hohe Polierbarkeitsgrad ist auch für optische Geräte, z. B. SiC-Spiegel, erwünscht. Hohe Wärmeleitfähigkeit ist für das Verteilen von Wärme in Bauteilen von HDAs äußerst erwünscht.
• Obwohl die polierte Oberfläche anschließend mit mehreren Werkstoffüberzügen versehen werden kann, wie magnetischen Aufzeichnungsmedien, einem Überzug und gegebenenfalls anderen Schichten, neigen irgendwelche Oberflächenunregelmäßigkeiten in der polierten Oberfläche dazu, an die nachfolgenden Schichten weitergegeben zu werden, oftmals in verstärkter Form. Hochglanzpolierung gestattet auch ein überlegenes Oberflächenreinigen vor dem anschließenden Beschichten, was zu einer besseren Bindung der anschließenden Beschichtung führt. Dies ergibt weniger Ausschußteile.
• Eine hohe Wärmeleitfähigkeit in magnetischen Aufzeichnungselementen ist aus der Sicht einer Verteilung von Wärme, die sich während des Betriebs ansammelt, äußerst erwünscht.
• Wärmeleitfähigkeit hängt stark von der Korngröße und Reinheit des Materials ab, d. h. die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Korngröße und niedriger Verunreinigungskonzentration entlang den Korngrenzen zu. Die Korngröße und daher die Wärmeleitfähigkeit wird durch die Abscheidungstemperatur, den Abscheidungsdruck und die Gasströmungsgeschwindigkeiten gesteuert. Beispielsweise nimmt unter Bedingungen hoher Temperatur und niedriger MTS-Strömungsgeschwindigkeit (die zu einem niedrigen MTS-Partialdruck führt) die Korngröße zu. Wenn die Temperatur vermindert und der MTS-Strom gesteigert wird, nimmt die Korngröße ab. Gemäß der Erfindung hergestelltes SiC hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 300 W/mK oder darüber.
• Die Polierbarkeit hängt von mehreren Faktoren ab. Das SiC muß hohlraumfrei, von hoher Reinheit (kein Material zweiter Phase) und stöchiometrisch (gleiche Anzahl von Si- und C-Atomen) sein, um hochglanzpolierte Oberflächen zu erhalten. Die Stöchiometrie hängt von der Abscheidungstemperatur, dem Druck und dem H&sub2;/MTS-Verhältnis ab. Die Abscheidungsgeschwindigkeit muß auch relativ niedrig sein, um ein hohlraumfreies Material zu erhalten. Die Abscheidungsgeschwindigkeit wird durch die Abscheidungstemperatur, den Abscheidungsdruck und die Gasströmungsgeschwindigkeiten gesteuert. Die Abscheidungsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur, steigendem Druck und steigender MTS-Strömungsgeschwindigkeit zu.
• Hier wird durch CVD abgeschiedenes freistehendes SiC mit sehr hoher Polierbarkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit unter sehr speziellen Bedingungen abgeschieden. Bestimmte Parameter, wie individuelle Gasströmungsgeschwindigkeiten, werden je nach der Größe und Gestaltung des betreffenden CVD-Abscheidungsofens variieren. Man findet jedoch, daß durch CVD abgeschiedenes, freistehendes SiC mit Polierbarkeit von 0,5 nm (5 Å) RMS oder weniger, vorzugsweise 0,3 nm RMS oder weniger und am meisten bevorzugt 0,1 nm (1 Å) RMS oder weniger und mit Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 300 W/mK unter einer sehr speziellen Kombination von Reaktionsbedingungen unter Verwendung des Gasgemisches von wenigstens Methyltrichlorsilan (MTS) und H&sub2; abgeschieden wird, speziell mit einem Ofendruck von 24,0 bis 29,3 KPa (180 bis 220 Torr), einer Abscheidungstemperatur zwischen 1340 und 1380 ºC, vorzugsweise zwischen 1340 und 1370 ºC und am meisten bevorzugt bei etwa 1350 ºC, einer Abscheidungsgeschwindigkeit zwischen 1,0 und 2,0 µm/min und einem H&sub2;/MTS-Gaspartialdruck-Strömungsverhältnis zwischen 4 : 1 und 10 : 1. Außerdem wird als ein Teil das Gasstromes zugeführtes H&sub2; so gereinigt, daß es weniger als ein Teil je Million (ppm) O&sub2;-Gas enthält, und verschiedene Mittel können vorgesehen sein, um feinteiliges Verunreinigungsmaterial aus der Abscheidungskammer auszuschließen. Das Gasgemisch schließt fast immer ein Inertgas, vorzugsweise Argon, als einen Träger für MTS und in einer Menge, um aerodynamische Eigenschaften des Gasstromes einzustellen, ein. Es ist jedoch vorstellbar, daß das Verfahren auch unter Verwendung nur von MTS ablaufen kann, welches von H&sub2; getragen wird. Obwohl diese speziellen Abscheidungsparameter in breite Bereiche fallen können, die in den obenerwähnten US-Patentschriften beschrieben sind, wird nachfolgend demonstriert, daß die sehr spezielle Kombination von Abscheidungsparametern, die oben angegeben ist, die Kombination sehr hoher Polierbarkeit und sehr hoher Wärmeleitfähigkeit ergibt, die sich bei irgendeiner im Stand der Technik gezeigten tatsächlichen Abscheidung nicht findet.
• Bezüglich der "Abscheidungskammertemperatur" versteht man hier die Temperatur, bestimmt in der Abscheidungskammer in enger Nähe zu dem Dorn, auf welchem das Siliciumcarbid abgeschieden werden soll, obwohl die tatsächliche Dorntemperatur hiervon etwas verschieden sein kann. Die Erfahrung lehrte, daß Temperaturen an unterschiedlichen Stellen in bezug auf den Dorn, aber jeweils in naher Nachbarschaft zu ihm selten mehr als um etwa 5 ºC variieren, und es wird angenommen, daß die tatsächliche Abscheidungstemperatur an dem Dorn innerhalb von 10 ºC der geprüften Temperatur liegt.
• Wärmeleitfähigkeit dürfte unabhängig von der Meßmethode relativ reproduzierbar sein. Hier ist Wärmeleitfähigkeit die Wärmeleitfähigkeit gemessen durch Blitzlichtmethoden.
• Wenn nichts anderes angegeben ist, werden alle Eigenschaften von SiC hier bei Raumtemperatur gemessen, d. h. bei 20 bis 28 ºC (293 bis 301 K).
• Freistehendes SiC ist allgemein wenigstens 0,127 nm (5/1000 in) dick (0,127 mm). Zum Zwecke einer Herstellung harter Platten und von Schreib-Leseköpfen wird SiC allgemein bis zu einer Dicke von wenigstens 2 bis 3 mm abgeschieden. Das SiC-Substrat kann teilweise gemäß dem speziellen Dorn, auf welchem das SiC abgeschieden wird, gestaltet werden, doch wird es allgemein durch Maschinenwerkzeugbearbeitung nach der Abscheidung weitergestaltet und/oder fertigbearbeitet. Das Substrat wird auf einer Oberfläche oder auf Oberflächen je nach den Erfordernissen des Teils mit herkömmlichen Mitteln poliert, wie durch Läppen unter Verwendung von Pech und zunehmend feinerem Diamantschmirgel.
• Bei der Herstellung eines magnetischen Aufzeichnungselementes, z. B. einer harten Platte oder eines Schreib-Lesekopfes, wird nach dem Polieren einer Oberfläche oder von Oberflächen auf den erwünschten Grad, z. B. 0,5 nm (5 Å) RMS oder weniger, vorzugsweise 0,3 nm (3 Å) RMS oder weniger und am meisten bevorzugt 0,1 nm RMS oder weniger, magnetisches Aufzeichnungsmedium direkt auf der oder den polierten Oberfläche(n) mit herkömmlichen Mitteln, wie durch stromloses Plattieren oder ein Sputterverfahren, abgeschieden. Magnetische Aufzeichnungsmedien können unter einer Vielzahl von magnetischen Materialien oder Legierungen ausgewählt werden, wie GdCo, CoPtCr und CrV-CoPtCr. Kobalt/Phosphor-Legierung ist ein derzeit bevorzugtes magnetisches Aufzeichnungsmedium. Typischerweise ist die Schichtdicke des magnetischen Aufzeichnungsmediums 50 bis 100 nm (500 bis 1000 Å). Um die Schicht des magnetischen Aufzeichnungsmediums zu schützen, ist es bevorzugt, daß die Schicht des magnetischen Aufzeichnungsmediums mit einer Schutzschicht, wie gesputtertem Kohlenstoff, bis zu einer Dicke von 20 bis 50 nm (200 bis 500 Å) überschichtet wird. Das Teil kann außerdem auf der Oberfläche geschmiert werden, um die Haftreibungs-Reibungsleistung zu verbessern.
• Eigenschaften von SiC, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde, und Vorteile in bezug auf magnetische Aufzeichnungselemente sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:
• Um sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, d.h. etwa 300 W/mK oder darüber, zusammen mit sehr hoher Polierbarkeit zu erreichen, erwies es sich als notwendig, aus der Abscheidungskammer sowohl Sauerstoff, welcher dazu neigt, eine Abscheidung von Kohlenstoffeinschlüssen zu verursachen, als auch feinteilige Stoffe, welche Einschlüsse in dem abgeschiedenen CVD werden können, aus der Abscheidungskammer im wesentlichen auszuschließen. Die Hauptsauerstoffquelle ist im allgemeinen das Wasserstoffgas, und es werden Mittel vorgesehen, um die Anwesenheit von Sauerstoff in dem Wasserstoffgasstrom auf weniger als etwa 1 ppm zu reduzieren und zu halten. Gleichermaßen können Mittel vorgesehen sein, um die Abscheidungskammer im wesentlichen frei von feinteiligen Stoffen oder anderen möglichen Einschlüssen zu halten. Der Weg der Anmelder, Sauerstoff und Feinstoffe im wesentlichen auzuschalten, ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben. Es ist verständlich, daß andere Mittel verwendet werden können, um Sauerstoff und Feinstoffe auszuschließen, je nach der verwendeten Apparatur. Die Figuren erläutern lediglich jene Teile der Apparatur, die zum Vermindern von Feinstoffen modifiziert werden, da die allgemeine CVD-Apparatur zur Abscheidung von Siliciumcarbid bekannt ist, wie aus den obenerwähnten Patentschriften.
• In Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines 0,5 m-CVD-SiC-Ofens 10 erläutert, der von den Anmeldern für eine Abscheidung ihres hochglanzpolierbaren, stark wärmeleitfähigen SiC angepaßt wurde. Die Apparatur schließt eine Außenwand oder ein Gehäuse mit einer zylindrischen Seitenwand 11, einer oberen Platte 12 und einer Bodenplatte 14 ein. Eine Innenwand oder ein Gehäuse umfaßt eine zylindrische Seitenwand (oder Isolationsröhre) 16, eine obere Abdeckung 18 und eine Bodenabdeckung 20, die Innenwand begrenzt den Innenraum, der die Abscheidungs kammer 22 ist. Die Isolationsröhre 16 wird von einem Seitenerhitzer 24 umgeben, unter der Bodenabdeckung 20 ist ein Bodenerhitzer 26. Jeder der Erhitzer 24, 26 ist vom elektrischen Widerstandstyp und besteht beispielsweise aus Graphitglühstäben.
• Zwischengeschaltet zwischen das Innengehäuse und das Außengehäuse und das Innengehäuse und die Erhitzer 24, 26 umgebend sind Platten von Isoliermaterial 28, die gewöhnlich aus Fasermaterial, z. B. Kohlenstoffasern, gebildet sind. Wie in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärt wird, sind diese Platten 28 eine Quelle für feinteiliges Material, z. B. während der Demontage des Ofens, und Einrichtungen sind vorgesehen, um die Platten als eine Quelle für feinteiliges Material in der Abscheidungskammer auszuschalten. Injektoreinrichtungen 30 sehen einen Gaseintritt durch das obere Ende des Ofens und zu der Abscheidungskammer vor. In dem erläuterten Ofen 10 sind drei Injektoren 30 gezeigt. Wie in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärt wird, sind die Injektoren eine mögliche Feinstoffquelle, einschließlich relativ großer Feinstoffe, und die Injektoren 30 in dem erläuterten Ofen wurden gegenüber früherer Injektorkonstruktion so modifiziert, daß sie die Injektoren 30 als eine Quelle für Feinstoffmaterial in der Abscheidungskammer 22 ausschalten. Ein Abzugsrohr 32 steht in Verbindung mit dem unteren Ende der Abscheidungskammer 22.
• In der Abscheidungskammer 22 ist in den Gasfluß eine Praliplatte 34, die gerade über der Bodenabdeckung 22 in einer horizontalen Ausrichtung abgestützt ist, eingeschoben. Oberhalb der Prallplatte 34 wird auch in horizontaler Ausrichtung der Dorn 36 getragen, auf welchem die Masse des CVD-SiC abgeschieden wird. Die Temperatur der Abscheidungskammer 22 wird durch Wärmeleiter 38 und optische Pyrometer 40 überwacht.
• Obwohl hier nicht im einzelnen erläutert, wird der Ofen zwischen jedem Laufen durch den Boden demontiert. Während der Demontage besteht eine Neigung für Feinstoffe, von der Kohlenstoffvliesisolierung 28 wegzubrechen und so die Abscheidungskammer 22 zu verunreinigen. Um dies zu verhindern, sind schützende Keramikabschirmungen oder -abdeckungen über den Kohlenstoffvliesplatten 28 vorgesehen. Die Abdeckungseinrichtungen, die in Fig. 2 erläutert sind, umfassen Abdeckungsbögen aus nichtporösem keramischem Dichtungsmaterial 42, wie beispielsweise Graphit, wie es unter dem Handelsnamen "Graffoil" erhältlich ist, sowie Kohlenstoffhülsen 44, die Öffnungen durch die Platten 28 abdecken.
• In früheren Ofenkonstruktionen waren die Injektoren 30 die Quelle für Feinstoffmaterial, welches auf den Dorn 36 darunter und das darauf abgeschiedene SiC fällt. Wie in Fig. 3 schematisch erläutert ist, umfaßt jeder Injektor 30 drei konzentrische Rohre, die Ringdurchgänge 56 und 58 und einen mittigen Durchgang 60 begrenzen. Der mittige Durchgang 60 ist der Gasdurchgang und an seinem unteren Ende offen, um in Verbindung mit der Abscheidungskammer zu stehen. Eine Ringkappe 62 erstreckt sich zwischen dem Außen- und Innenrohr 50, 54 und dichtet das untere Ende der ringförmigen Durchgänge 56, 58 gegeneinander ab. Das untere Ende des mittleren Rohres 52 befindet sich in einem Abstand oberhalb der Ringkappe 62, um einen Spalt 64 zu liefern, der die ringförmigen Durchgänge 56, 58 verbindet. Ein Kühlmittel, gewöhnlich Wasser, wird abwärts durch den inneren ringförmigen Durchgang 58 gepumpt und kehrt durch den äußeren ringförmigen Durchgang 56 zurück. Dieses Kühlmittel verhindert, daß eine Abscheidung in dem Gasströmungsdurchgang 60 in dem erhitzten Bereich erfolgt, wo er in Verbindung mit der Abscheidungskammer 22 steht, indem der Durchgang 60 unter der Abscheidungstemperatur gehalten wird.
• Es ist verständlich, daß das Injektorrohr 30 in bezug auf wenigstens die obere Platte oder Abdeckung 12 des Außengehäuses oder die obere Abdeckung 18 des Innengehäuses wegen der unterschiedlichen Temperaturen jedes der Gehäuse und wegen des resultierenden Unterschiedes der Ausdehnung und Kontraktion während des Ofenbetriebes bewegbar sein muß. In früheren Ofenkonstruktionen (nicht gezeigt) erstreckte sich das untere Ende des Injektorrohres abwärts unter die obere Abdeckung 18 des Innengehäuses und in die Abscheidungskammer 22, um eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem mittigen Durchgang des Injektors und der Abscheidungskammer zu gewährleisten. Dies erwies sich als problematisch, da der kühlere Injektor dazu neigte, Kondensation und Filmabscheidung darauf zu fördern, wobei diese Abscheidung abblättern und auf den Dorn 36 darunter fallen und zu großen Feinstoffeinschlüssen in dem darauf abgeschiedenen SiC werden kann.
• Um dieses Problem zu überwinden, wurden die Injektorrohre 30 so ausgebildet, daß sie sich abwärts bis zu der, aber nicht bis in die Abscheidungskammer 22 erstrecken, was eine kontinuierliche Verbindung mit der Abscheidungskammer schafft, während sie relativ gleitbar in bezug auf die obere Abdeckung 12 des Außengehäuses sind. In Fig. 2 ist die Konstruktion der Anmelder für die Iniektorvorrichtung erläutert, die das Injektorrohr 30 liefert, welches sich bis zu der Abscheidungskammer 22, aber nicht in diese hinein, erstreckt. Eine Einlaßöffnung 70 in der oberen Abdeckung 18 des Innengehäuses ist so geformt, daß sie eine ringförmige Lage 72 ergibt. In der Öffnung 70 auf der Lage 72 befindet sich eine Kohlenstoffunterlagsscheibe 74 von geeignetem lnnendurchmesser, daß das Injektorrohr 30 darauf sitzt. Um den Sitz des Injektorrohres 30 auf der Unterlagsscheibe 72 während des Ofenzusammenbaues zu erleichtern, sitzt auch eine rohrförmige Kohlenstofführung 76 mit einem sich verjüngenden oberen Ende 78 in der Öffnung 70 auf der Unterlagsscheibe 72. Das Injektorrohr 30 erstreckt sich aufwärts durch Öffnungen 80, 82 in der Isolation 28 und der oberen Platte 12.
• Es ist wichtig, daß die Öffnungen in dem Außengehäuse einschließlich der Öffnung 82, durch welche sich das Injektorrohr 30 erstreckt, abgedichtet sind. Demnach ist eine mit Flansch versehene Hülse 84 an der Öffnung 82 vorgesehen und an der oberen Platte 12 befestigt. Das Injektorrohr 30 ist vertikal durch die mit Flansch versehene Hülse 84 bewegbar, um unterschiedliche Wärmeausdehnung des Innen- und Außengehäuses auszugleichen. Eine Kupplung 86 ist um das Injektorrohr 30 an einer Stelle oberhalb der oberen Platte 12 vorgesehen. Eine Dichtung zwischen der Kupplung 86 und der mit Flansch versehenen Hülse 84 bildet ein Balg 90, der vertikale Relativbewegung zwischen der oberen Platte 12 und dem Injektorrohr 30 ausgleicht. Um Demontage und Montage zu bekommen, sind für den erläuterten Balg eine Befestigung und Trennung an zwei Punkten vorgesehen. 0-Ringe 68 an diesen Punkten ergeben während des Betriebs einen gasdichten Verschluß.
• Wie oben kurz diskutiert, ist eine andere Quelle von Einschlüssen, die eine gleichmäßige Abscheidung von SiC verschlechtern, das Vorhandensein von Sauerstoff. Bei der Prüfung früherer Abscheidungen konnten kleine Kohlenstoffeinschlüsse gefunden werden. Auch wurde in SiC-Abscheidungen festgestellt, daß die Neigung bestand, daß sich Bänder von Kohlenstoffeinschlüssen bildeten, wenn Wasserstoffzylinder gewechselt wurden, was anzeigt, daß Sauerstoff der Missetäter sein kann. Um einen Wechsel von Wasserstoffzylindern zu vermeiden, werden nun genügend große Wasserstoffzylinder verwendet, um einen gesamten Abscheidungsablauf zu versorgen. Nichtsdestoweniger neigen im Handel erhältliche Wasserstoffquellen dazu, Sauerstoffmengen zu enthalten, die, obwohl sie sehr klein sind, in bezug auf die Erzeugung von Kohlenstoffeinschlüssen in CVD-SiC von Bedeutung sind. Um das SiC der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, erwies es sich daher als erforderlich, das Wasserstoffgas zu reinigen, insbesondere Sauerstoffspuren im wesentlichen aus dem Wasserstoff zu eliminieren.
• In Fig. 4 ist eine Wasserstoffgasleitung 99 schematisch erläutert, welche die Anmelder modifizierten, um Sauerstoff und einige andere gasförmige Verunreinigungen zu eliminieren. Die Wasserstoffgasleitung vereinigt sich mit einem Strom von MTS, das von Argon getragen wird (nicht gezeigt), und der vereinigte Strom von Argon, Wasserstoff und MTS wird in die Abscheidungskammer 22 durch die Injektoren 30 eingeführt. Die Gasleitung schließt die Wasserstoffquelle 100 ein. Abstromwärts von der Wasserstoffquelle 100 ist eine katalytische Reinigungseinrichtung 102, wie Modell RCP-500 der Resource System, Inc., welche Sauerstoff in Wasser umwandelt. Abstromwärts von der katalytischen Reinigungseinrichtung 102 ist ein Molekularsiebtrockner 104, wie Modell MSD-1000 der Resource Systems, Inc., welcher das Wasser einfängt. Das System vermindert den Sauerstoffgehalt des Wasserstoffgasstromes auf unter 1 ppm. Dieses System ist auch in der Lage, Kohlendioxid, Ammoniak und andere unerwünschte polare Moleküle zu entfernen. Obwohl dieses System die derzeit bevorzugte Methode der Anmelder zur Entfernung von 0&sub2; aus dem H&sub2;-Gasstrom darstellt, können für diesen Zweck auch andere Mittel, wie ein Gasaufzehrungssystem, eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten anhand von speziellen Beispielen beschrieben.
Beispiel 1
• Bedingungen wurden für eine 0,5 m- und einen 1,5 m-Produktionsofen von Morton Advanced Materials, Woburn MA optimiert, und diese Bedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Es ist verständlich, daß Öfen für chemische Abscheidung aus der Dampfphase, wie jene, die in diesem Beispiel verwendet werden, in üblicher Weise hergestellt werden und daß spezielle Bedingungen der Strömungsgeschwindigkeit von Ofen zu Ofen variieren können. Um durch CVD abgeschiedenes SiC gemäß der Erfindung herzustellen, sollten die Temperatur, der Druck, das H&sub2;/MTS-Verhältnis und die Abscheidungsgeschwindigkeit in den nachfolgend angegebenen Bereichen liegen, ungeachtet der speziellen Ofenkonstruktion.
Beispiel 2
• Unter Verwendung des 0,5 m-Ofens von Beispiel 1 wird CVD-SiC gemäß den in der US-Patentschrift Nr.4 990 374, Zeilen 30 bis 36 beschriebenen Bedingungen abgeschieden, d. h. mit einer Abscheidungstemperatur von 1300 ºC, einem Ofendruck von 26,7 kPa (200 Torr), Gaspartialdrücken von 9,1 kPa (68 Torr) für Ar, 13,6 kPa (102 Torr) für H&sub2; und 4,0 kPa (30 Torr) für MTS. Die folgende Tabelle vergleicht Eigenschaften des unter Verwendung der Bedingungen des Beispiels 1 abgeschiedenen SiC mit dem gemäß dem Patent Nr.4 990 374 abgeschiedenen SiC (die angegebenen Werte sind Meßwerte bei Raumtemperatur [20 bsi 25 ºC]).
• Von den obigen Eigenschaften ist die Polierbarkeit des nach der Erfindung abgeschiedenen SiC von großer Bedeutung für Substrate für magnetische Aufzeichnungselemente und auch für optische Teile, die einen sehr hohen Grad an Polierbarkeit erfordern. Verbesserte Wärmeleitfähigkeit ist auch von Wichtigkeit für Substrate für magnetische Aufzeichnungsmaterialien.
Beispiel 3
• In einem 70stündigen Versuch wurde CVD-SiC in einem 0,5 m-Ofen unter den folgenden Bedingungen abgeschieden: Ofendruck: 26,7 ,Pa (200 Torr) Abscheidungstemperatur: 1350 ºC Gasströmungsgeschwindigkeiten H&sub2; 28 slpm Ar 77 slpm MTS 5,9 slpm Gaspartialdrücke: H&sub2; 6,7 kPa (50 Torr) Ar 18,5 kPa (139 Torr) MTS 1,4 kPa (10,6 Torr) Abscheidungsgeschwindigkeit: 1,5 µm/min H&sub2;/MTS-Gasstromverhältnis: 4,7 Das CVD-SiC hat eine Wärmeleitfähigkeit von 304,9 W/mK bei 289 ºC (301 K) und wird auf < 0,1 nm (< 1 Å) RMS poliert.

Claims (15)

1. Freistehendes durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase erhaltenes Siliciumcarbid mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 300 W/mK bei Raumtemperatur.

2. Siliciumcarbid nach Anspruch 1 mit wenigstens einer bis zu 0,5 nm (5 Å) RMS oder weniger polierten Oberfläche, gemessen auf einem mechanischen Kontaktprofilgerät nach Talystep.

3. Siliciumcarbid nach Anspruch 2, bei dem die Oberfläche bis zu 0,3 nm (3 Å) RMS oder weniger poliert ist.

4. Siliciumcarbid nach Anpruch 2, bei dem die Oberfläche bis 0,1 nm (1 Å) RMS oder weniger poliert ist.

5. Starre magnetische Speicherscheibe mit einem Siliciumcarbidsubstrat mit einer polierten Oberfläche und einem magnetischen Überzug darüber, wobei das Siliciumcarbid und die polierte Oberfläche wie in Anspruch 2 definiert sind.

6. Lese-Schreibkopf mit einem Siliciumcarbidsubstrat mit einer polierten Oberfläche und einem darauf hergestellten Lese- und Schreibstromkreis, wobei das Siliciumcarbid und die polierte Oberfläche wie in Anspruch 2 definiert sind.

7. Kopf-Scheibenanordnung mit einer starren magnetischen Speicherscheibe nach Anspruch 5 und einem Lese-Schreibkopf nach Anspruch 6.

8. Verfahren zur Herstellung von freistehendem Siliciumcarbid mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von wenigstens 300 W/mK bei Raumtemperatur, bei dem ein Ofen (10) zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase mit einer Abscheidungskammer (22) und einem Formkern (36) darin vorgesehen wird, wobei die Temperatur der Abscheidungskammer bei 1340 bis 1380 ºC, vorzugsweise nicht höher als 1370 ºC ist und der Druck der Abscheidungskammer 24,0 bis 29,3 kPa (180 bis 220 Torr) ist, Methyltrichlorsilan (MTS) und H&sub2;-Gas in die Abscheidungskammer mit einem Gasströmungsverhältnis von H&sub2;/MTS von 4 : 1 bis 10 : 1 eingeführt werden, wobei Siliciumcarbid pyrolytisch auf dem Formkern mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1 bis 2 µm/min abgeschieden wird, und das abgeschiedene Siliciumcarbid anschließend von dem Formkern entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das der Abscheidungskammer zugeführte H&sub2;-Gas so gereinigt wird, daß es weniger als 1 ppm O&sub2;-Gas enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Ofen (10) Einrichtungen besitzt, um die Abscheidungskammer (22) im wesentlichen frei von feinteiligem Material zu halten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Ofen (10) faserförmiges Isolationsmaterial (28) besitzt, das Wände der Abscheidungskammer (22) verkleidet, und die Einrichtungen, die die Abscheidungskammer im wesentlichen frei von feinteiligem Material halten, einen keramischen Schutzüberzug (42) für das faserförmige Isoliermaterial umfassen.

11. Verfahren zur Herstellung einer starren Speicherscheibe, bei dem ein freistehendes Siliciumcarbidsubstrat durch ein chemisches Abscheidungsverfahren aus der Dampfphase nach einem der Ansprüche 8 bis 10 abgeschieden wird, wobei das Substrat maschinell zu einer Scheibenform verarbeitet wird, wenigstens eine Oberfläche der Scheibe poliert wird und die polierte Oberfläche mit einer Schicht eines magnetischen Aufzeichnungsmediums überzogen wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Schreib-Lesekopfes, bei dem ein freistehendes Siliciumcarbidsubstrat durch ein chemisches Abscheideverfahren aus der Dampfphase nach einem der Ansprüche 8 bis 10 abgeschieden wird, wobei das Substrat passend maschinell bearbeitet wird und eine Oberfläche hochglanzpoliert wird und ein Lese- und Schreib-Stromkreis auf der hochglanzpolierten Oberfläche hergestellt wird.

13. Vorrichtung mit einem Ofen (10) für chemische Abscheidung aus der Dampfphase, einer Wasserstoffgasquelle (100) und einer Eingangsleitung (30) zum Einführen des Wasserstoffgases in den Abscheidungsofen, einer Quelle für reaktives Gas oder reaktiven Dampf und einer Eingangsleitung zur Einführung des reaktiven Gases oder Dampfes in den Abscheidungsofen, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen in der Wasserstoffeingangsleitung zur Entfernung von Sauerstoffgas aus dem Wasserstoffgas vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Einrichtungen zur Entfernung von Sauerstoff eine katalytische Reinigungseinrichtung (102) umfassen, die O&sub2; in Wasser umwandelt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Sauerstoff entfernenden Einrichtungen weiterhin eine Molekularsieb-Trocknungseinrichtung (104) abstromwärts von der katalytischen Reinigungseinrichtung (102) zur Entfernung von Wasser aus dem Wasserstoffgas umfassen.