HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches
Aufzeichnungsmedium zur Verwendung in Computern und anderen Datenaufzeichnungs- und
Datenverarbeitungsgeräten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung
eines magnetischen Aufzeichnungsmediums, welches durch Verwendung eines
Halbleitersilizum-Einkristall-Wafers als nichtmagnetischem Substrat für eine
Informationsaufzeichnung hoher Dichte geeignet ist.
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Zusammen mit dem rasanten Fortschritt der Elektronikindustrie oder der
Computer oder andere elektronische Datenverarbeitungsgeräte verwendenden
informationsgeprägten Gesellschaft ist in jüngster Zeit eine Entwicklung in Richtung
immer größerer Kapazität der Datenaufzeichnungsmedien in der
Computertechnologie festzustellen. Insbesondere müssen magnetische Aufzeichnungsmedien oder
Magnetscheiben, welche nach wie vor eine führende Rolle als externe
Speichervorrichtungen bei Computern spielen, von Jahr zu Jahr eine immer größere
Kapazität und Aufzeichnungsdichte besitzen. Diese Entwicklung in Richtung
höherer Kapazität und höherer magnetischer Aufzeichnungsdichte wird durch das
Vorherrschen sehr kompakter Personal-Computer, wie beispielsweise der
sogenannten Notebook- oder Palmtop-Personal-Computer, weiter beschleunigt.
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Magnetische Aufzeichnungsmedien weisen im allgemeinen eine Basisstruktur mit
einer flachen und glatten nichtmagnetischen Substratplatte, üblicherweise in
Form einer kreisförmigen Scheibe, und eine wenigstens auf einer Oberfläche der
Substratplatte gebildete magnetische Schicht auf. Die Substratplatte eines
magnetischen Aufzeichnungsmediums muß verschiedene Anforderungen erfüllen, so
daß das Aufzeichnungsmedium hervorragende Gebrauchstauglichkeit aufweisen
kann. Einige derartige Anforderungen für die Substratplatten, welche
selbstverständlich nichtmagnetisch sein müssen, sind beispielsweise hohe mechanische
Stärke zur Gewährleistung einer einfachen Handhabung, Gleichmäßigkeit bzw.
Glattheit der Oberfläche zur Gewährleistung einer hohen Aufzeichnungsdichte in
der darauf gebildeten magnetischen Aufzeichnungsschicht bei kleiner Flughöhe
bzw. Abtasthöhe des Magnetkopfes, gute Adhäsion mit der Magnetschicht oder
ihrer Unterschicht, Stabilität der Anordnung oder Form gegen Krümmung oder
Deformation, große Abriebfestigkeit, geringes Gewicht, damit die
Magnetscheibe mit geringem Leistungs- bzw. Kraftverbrauch betrieben werden kann, usw.
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Typische Materialien, die herkömmlicherweise für Substratplatten magnetischer
Aufzeichnungsmedien verwendet werden, sind Aluminium oder
Aluminiumlegierungen sowie Glas. Während aus Glas hergestellte Substratplatten Probleme
bezüglich ihrer mechanischen Stärke aufweisen, sind aus Aluminium hergestellte
Substratplatten bezüglich der erwähnten Anforderungen in befriedigender Weise
verwendet worden. Zusammen mit den jüngsten Fortschritten in der
Computertechnologie müssen die Substrate der magnetischen Aufzeichnungsmedien jedoch
in Bezug auf geringere Oberflächenrauhigkeit, höheren Abriebwiderstand und
geringeres Gewicht weiter verbessert werden.
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Als weitere Erläuterung sei angegeben, daß, während es wünschenswert ist, daß
die auf dem Substrat gebildete magnetische Aufzeichnungsschicht eine
größtmögliche
Koerzitivkraft aufweist, die magnetische Schicht von Legierungen auf
Kobaltbasis, welche herkömmlicherweise zu diesem Zweck verwendet werden,
eine höhere Koerzitivkraft aufweist, wenn das filmbildende Sputterverfahren bei
einer erhöhten Temperatur in einem Bereich bis zu einer oberen
Temperaturgrenze durchgeführt wird, so daß das Substrat üblicherweise vor Bildung der
magnetischen Schicht auf einer erhöhten Temperatur erwärmt bzw. erhitzt wird. Da
Aluminium eine relativ geringe Härte besitzt, ist die Oberfläche eines
Aluminiumsubstrats üblicherweise mit einer Unterschicht aus Nickel-Phosphor (NiP) mit
einer größeren Härte ausgebildet, ein derartiges NiP-plattiertes
Aluminiumsubstrat neigt zu Krümmungen bzw. Verformungen, wenn das Substrat erwärmt
wird, dies wegen der großen Unterschiede der thermischen
Expansionskoeffizienten von Aluminium und NiP, und ferner wird NiP magnetisch, wenn es auf
280ºC oder eine höhere Temperatur erwärmt wird. Glassubstrate weisen
ebenfalls Probleme bezüglich Verformung auf, wenn sie auf einer erhöhten
Temperatur erwärmt und dann abgekühlt werden, da eine Glassubstratplatte üblicherweise
nach einer beanspruchte Oberflächenschichten bildenden Härtungs- bzw.
Temperungsbehandlung verwendet wird.
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Diesbezüglich schlägt US-Patent 4,675,240, welches dem japanischen Patent
Kokai 59-96539 entspricht, die Verwendung eines Siliziumwafers als Substrat
eines magnetischen Aufzeichnungsmediums vor, auf welchem zunächst eine
Chrom-Unterbeschichtung durch Sputtern gebildet wird, und dann eine
magnetische Aufzeichnungsschicht aus einer Eisen-Kobalt-Chrom-Legierung mit einer
Dicke von etwa 30 nm auf dieser ebenfalls durch Sputtern gebildet wird. Wie
berichtet wurde, beträgt die höchste Koerzitivkraft der derart gebildeten
magnetischen Schicht 1000 oersted. Ein Siliziumwafer als Substrat ist
Aluminiumsubstraten in verschiedener Hinsicht überlegen, beispielsweise hinsichtlich der Dichte
von 2,3 g/cm³, welche wesentlich geringer ist als die Dichte eines
Aluminiumsubstrats,
also 2,7 g/cm³, hinsichtlich größerer Vickershärte als Aluminium,
wodurch eine höhere Oberflächenglattheit durch Läffen gewährleistet ist, und eine
Möglichkeit zur Vermeidung einer NiP-Unterschicht großer Härte gegeben ist,
und des wesentlich höheren Schmelzpunktes von 1420ºC ohne
Umwandlungspunkte bis zum Schmelzpunkt 660ºC von Aluminium, so daß die Deformation
oder Krümmung der Substratplatte minimiert ist, selbst wenn das Substrat
während der Sputterbehandlung zur Bildung einer magnetischen Schicht
beispielsweise von einem Ferrit auf eine Temperatur von 600ºC oder höher erwärmt wird.
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Aus der DE 35 43 254 A1 ist ein plattenförmiges Aufzeichnungsmedium
bekannt, welches einen nicht-magnetischen Substratkörper hoher Festigkeit bzw.
Stärke aus gesinertem Aluminiumnitrid (AlN) aufweist, wobei auf wenigstens
einer ebenen Oberfläche davon ein Zwischenteil in Form einer dünnen
ringförmigen Siliziumplatte vorgesehen ist, wobei wenigstens eine Aufzeichnungsschicht
eines vertikal zu magnetisierenden Materials auf das Zwischenteil aufgebracht
wird, wobei letzteres ein von einem Silizium-Einkristall geschälter bzw.
scheibenartig abgeschnittener nicht-magnetischer Wafer ist. Diese Druckschrift legt
ferner offen, daß ein Silizium-Einkristall vorteilhaft als Substratmaterial dienen
kann, auf welchem eine magnetische Aufzeichnungsschicht aus CoCr in Bezug
auf geringe Fluktuation in der kristallographischen Orientierung der
Aufzeichnungsschicht zur Erzielung verbesserter magnetischer
Aufzeichnungseigenschaften des Aufzeichnungsmaterials gebildet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines neuen
magnetischen Aufzeichnungsmediums, bei dem das Substrat ein Halbleitersilizium-Wafer
ist, der einer darauf ausgebildeten magnetischen Aufzeichnungsschicht eine stark
erhöhte Koerzitivkraft verleihen kann, und eine wesentliche Verringerung der
Flughöhe eines Magnetkopfes ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein erfindungsgemäßen Aufzeichnungsmedium
mit einer Einkristall-Siliziumscheibe als nicht-magnetischer Substratplatte und
einer magnetischen Aufzeichnungsschicht, die an wenigstens einer Oberfläche
der Substratplatte entweder unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer
Unterschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierungsebene der
Oberfläche der Einkristall-Siliziumscheibe, auf welcher die magnetische
Aufzeichnungsschicht gebildet ist, mit der kristallographischen (100)Ebene des
Silizium-Einkristalls einen Winkel von nicht größer als 20º bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einkristall-
Siliziumscheibe als Substratplatte ein Ausschnitt eines Wafers eines Einkristall-
Siliziums, welches durch Einkristall-Züchtung entsprechend der Czochralski-
Methode erhalten ist.
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Vorzugsweise weist die Einkristall-Siliziumscheibe als Substratplatte einen
Volumenwiderstand nicht größer als 100 ohm cm, und nicht kleiner als 0,1 ohm cm
auf.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie aus der oben angegebenen Zusammenfassung der Erfindung folgt, besteht
das charakteristische Merkmal des erfindungsgemäßen magnetischen
Aufzeichnungsmediums in der Verwendung einer speziellen Silizium-Einkristall-Scheibe
als Substrat eines magnetischen Aufzeichnungsmediums, durch welches eine in
starkem Maße erhöhte Koerzitivkraft in der daraus gebildeten magnetischen
Schicht erhalten werden, und die Flughöhe eines Magnetkopfes stark verringert
werden kann. Obwohl es im Stand der Technik bekannt ist, daß eine Scheibe
eines Silizium-Einkristalls als Substratplatte eines magnetischen
Aufzeichnungsmediums verglichen mit aus Aluminium oder Glas hergestellten Substraten
verschiedene Vorteile bezüglich der oben genannten Gesichtspunkte aufweist, stellte
es eine völlig unerwartete Entdeckung dar, daß die durch die Verwendung einer
Scheibe eines Einkristall-Siliziums als Substratplatte erzielbaren Vorteile in
höchstem Maße bemerkenswert sind, wenn das Substrat eine Scheibe eines
Silizium-Einkristalls ist, welches mittels der Czochralski-Methode gezüchtet und in
einer Ebene im wesentlichen parallel zu der kristallographischen (100)Ebene
geschnitten bzw. in Scheiben geschnitten ist. Wenn eine derartige spezielle
Silizium-Einkristall-Scheibe als Substrat verwendet wird, auf dem eine magnetische
Schicht durch das Sputterverfahren mit einer Legierung aus Eisen, Kobalt und
Chrom gebildet wird, kann eine hohe Koerzitivkraft von 1300 oersted oder sogar
höher ohne die durch Krümmung oder Deformation des Substrats verursachten
Schwierigkeiten, welche andernfalls durch Erwärmung vor oder während der
Bildung der magnetischen Schicht durch Sputtern unvermeidlich sind, ohne
weiteres erhalten werden.
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Wie bekannt ist, werden Halbleiter-Silizium-Einkristalle industriell entweder
durch das sogenannte Czochralski-Verfahren, im folgenden als CZ-Verfahren
bezeichnet, oder das sogenannte tiegelfreie Schmelz- bzw. Zonenziehverfahren,
im folgenden als FZ-Verfahren bezeichnet, hergestellt. Obwohl ein beliebiger,
herkömmlicherweise bei der Herstellung von elektronischen Vorrichtungen auf
Halbleiterbasis, wie etwa ICs und LSIs, verwendeter Einkristall-Wafer aus
Halbleiter-Silizium als Substrat eines magnetischen Aufzeichnungsmediums
gemäß der Erfindung verwendet werden kann, werden mittels des CZ-Verfahrens
gezüchtete Silizium-Einkristalle gegenüber mittels des FZ-Verfahrens
hergestellten Einkristallen bevorzugt, da Einkristall-Siliziumscheiben, welche mittels der
CZ-Methode hergestellt sind, eine wesentlich höhere Biegefestigkeit als mittels
des FZ-Verfahrens hergestellte Scheiben aufweisen. Bezüglich der
Oberflächenrauhigkeit des bei der Erfindung verwendeten Siliziumsubstrats können
kommerziell verfügbare, als Basismaterial von ICs und LSIs verwendete Halbleiter-
Silizium-Wafer als solche verwendet werden, da diese kommerziell verfügbaren
Silizium-Wafer eine sehr glatte, spiegelpolierte Oberfläche nach Läppung
aufweisen. Der Durchmesser des bei der Erfindung verwendeten Siliziumsubstrats
ist nicht in besonderer Weise eingeschränkt, dies in Abhängigkeit von der
speziellen Anforderung an das magnetische Aufzeichnungsmedium. Einkristall-
Silizium-Wafer mit einem Durchmesser von 152 mm (6 inches) oder größer, wie
sie für Anwendungen bei der Herstellung von ICs und LSIs verkauft werden,
sind ohne weiteres erhältlich. In Anbetracht der Entwicklung dahingehend, daß
die Größe der magnetischen Aufzeichnungsmedien jährlich abnimmt, ist es
möglich, eine Vielzahl von Substratscheiben aus einem einzigen Silizium-Wafer eines
großen Durchmessers zu erhalten. Vorzugsweise wird die Belastung der
Oberflächenschicht des Substrats, welche durch die mechanische Arbeit bzw.
Bearbeitung verursacht ist, durch eine chemische Ätzbehandlung in Anbetracht einer
verbesserten mechanischen Stärke entfernt. Die Dicke des bei der Erfindung
verwendeten Silizium-Einkristall-Substrats ist nicht in besonderer Weise
beschränkt, vorausgesetzt, daß die Siliziumscheibe eine für eine übliche
Handhabung bzw. einen üblichen Betrieb ausreichende mechanische Stärke aufweist.
Die Dicke liegt üblicherweise im Bereich von 0,2 bis 1,3 mm, sollte jedoch
vorzugsweise 0,6 mm nicht überschreiten. Beispielsweise sind Halbleiter-Silizium-
Wafer mit einer Dicke von 0,3 bis 0,6 mm, wie sie für ICs und LSIs verkauft
werden, kommeriziell verfügbar und können in zufriedenstellender Weise
verwendet werden.
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Der Leitungstyp des Halbleiter-Siliziums, d.h. p-Typ oder n-Typ, und der Wert
des Volumenwiderstands sind nicht in besonderer Weise beschränkt, und es
können beliebige, auf dem Markt verfügbare Halbleiter-Silizium-Wafer ohne
besondere Schwierigkeiten verwendet werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß der
Volumenwiderstand der Einkristall-Silizium-Scheibe im Bereich von 0,1 bis 100
ohm cm liegt. Diese Anforderung erfolgt unter Berücksichtigung der Effektivität
des Sputterverfahrens für die Bildung einer magnetischen Aufzeichnungsschicht
darauf, bei dem manchmal eine Vorspannung zur Verbesserung der
Sputtereffizienz an das Substrat angelegt wird. Wenn der Volumenwiderstand des Substrats
zu gering ist, ist nachteilig, daß die Oberfläche des Substrats zur Bildung eines
oxidierten Oberflächenfilms neigt, welcher sich später unter Umständen auf die
Leistungsfähigkeit der darauf gebildeten gebildeten magnetischen
Aufzeichnungsschicht oder der zwischengeschalteten Unterschicht negativ auswirken
kann.
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Es erübrigt sich zu sagen, daß die bei der Erfindung als Substrat verwendete
Silizium-Scheibe vorzugsweise ein Wafer eines Einkristall-Siliziums sein sollte, da
Einkristall-Silizium-Scheiben eine wesentlich höhere Biegefestigkeit als
polykristalline Silizium-Scheiben aufweisen, so daß die Dicke und daher das Gewicht
der Substratscheibe entsprechend unter Beibehaltung der gleichen mechanischen
Stärke der Substrate vermindert werden kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung weist das Siliziumsubstrat eine Oberfläche auf,
welche im wesentlichen parallel zu der kristallographischen (100)Ebene
ausgerichtet ist, da ein derartiger (100)Wafer üblicherweise eine wesentlich höhere
Biegefestigkeit als höhere Symmetrien aufweisende (111) und (110)Wafer
aufweist.
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Der Typ der magnetischen Schicht, welche auf wenigstens einer Oberfläche des
als Substrat dienenden Silizium-Wafers gebildet ist, ist nicht in besonderer Weise
beschränkt, und kann aus den üblicherweise bei magnetischen
Aufzeichnungsmedien mit Aluminium- oder Glassubstraten verwendeten gewählt werden,
obwohl die magnetische Schicht vorzugsweise durch Sputtertechmk mit einer
magnetischen Legierung, einschließlich Legierungen von Eisen, Kobalt und Chrom,
Kobalt, Chrom und Tantal u.ä., von denen Kobalt-Chrom-Tantal-Legierungen
bevorzugt werden, hergestellt sein sollte. Die magnetische Schicht sollte
üblicherweise eine Dicke im Bereich von 10 bis 300 nm aufweisen, und wird in
Abhängigkeit von der bestimmten vorgesehenen Anwendung des magnetischen
Aufzeichnungsmediums gewählt. Das Verfahren zur Sputtersedimentierung der
magnetischen Legierung auf der Substratoberfläche kann, ohne besondere
Einschränkungen, von herkömmlicher Art sein. Vorzugsweise geht der
Sputtersedimentierung der magnetischen Schicht auf der Substratoberfläche die Bildung
einer beispielsweise ebenfalls durch das Sputterverfahren aus Chrom hergestellten
zwischengeschalteten Unterschicht voraus.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße magnetische Aufzeichnungsmedium
durch Beispiele im einzelnen erläutert.
Beispiel
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Eine Einkristall-Kugel bzw. -Boule aus Halbleiter-Silizium mit einem
Durchmesser von etwa 152 mm (6 inches), welches mit dem CZ-Verfahren in der
kristallographischen axialen Richtung < 100> gezüchtet wurde, wurde in einer Ebene
senkrecht zur Züchtungsachse des Einkristall-Boules scheibenartig in Wafer
geschnitten, deren Oberfläche im wesentlichen parallel zu der kristallographischen
(100)Ebene lag und deren Volumenwiderstand etwa 10 ohm cm betrug. Nach
Läppen der Oberflächen der Wafer wurde eine Vielzahl von ringförmigen
Scheiben mit einem Außendurchmesser von 48 mm und einem Innendurchmesser von
12 mm durch Schneiden mit einem Laserstrahlschneider aus den Wafern
entnommen. Nach Abrunden bzw. Abschrägen und einer Ätzbehandlung zur
Entfernung der Oberflächenbelastung bzw. -beanspruchung unter Verwendung einer
herkömmlichen Ätzlösung wurden die eine Dicke von 0,83 mm aufweisenden
ringförmigen Scheiben durch Polieren der Oberfläche und Waschen fertiggestellt.
Die Silizium-Scheibe wurde in eine Sputtervorrichtung eingebracht, und, nach
Erwärmung in einer Heizkammer bei einer Temperatur von 300ºC unter
Verwendung eines Infrarotstrahlungsheizers, einer sukzessiven
Sputtersedimentierung bzw. -ablagerung erstens einer Chromschicht mit einer Dicke von 100 nm,
zweitens einer magnetischen Schicht einer Legierungszusammensetzung von
Co&sub8;&sub6;Cr&sub1;&sub2;Ta&sub2; mit einer Dicke von 60 nm unter Verwendung eines Targets einer
Legierung der gleichen Zusammensetzung, und schließlich einer
Oberflächenschutzschicht aus Kohlenstoff mit einer Dicke von 30 nm in den jeweiligen
Sputterkammern zur Fertigstellung eines magnetischen Aufzeichnungsmediums
ausgesetzt.
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Die so hergestellten magnetischen Aufzeichnungsmedien wurden jeweils der
Koerzitivkraftmessung unter Verwendung eines Magnetometers vom
Probenvibrationstyp ausgesetzt, wobei festgestellt wurde, daß die Koerzitivkraft eine Funktion
der Heiz- bzw. Erwärmungstemperatur in der Heizkammer der
Sputtervorrichtung war, und der Wert der Koerzitivkraft bei einer Erwärmungstemperatur von
etwa 300ºC bei einem Leistungsverbrauch von 2,4 Kilowatt beim Intrarotheizer
1300 oersted betrug. Die Koerzitivkraft konnte durch Erhöhung der
Heiztemperatur über 300ºC weiter erhöht werden. Die gleiche Heiztemperatur des Substrats
und daher eine Koerzitivkraft von 1300 oersted der magnetischen Schicht konnte
bei einem Leistungsverbrauch von 3,8 Kilowatt beim Infrarotheizer erhalten
werden,
wenn die als Substrat verwendete Einkristall-Silizium-Scheibe zu
Vergleichszwecken durch ein Glassubstrat der gleichen Abmessungen ersetzt wurde.
Zusätzlich flachte der Wert der Koerzitivkraft der magnetischen Schicht auf dem
Glassubstrat ab, selbst wenn die Erwärmungstemperatur durch Erhöhung des
Leistungsverbrauchs des Infrarotheizers weiter erhöht wurde. Ferner wurde das
magnetische Aufzeichnungsmedium auf ein Drehgehäuse, welches mit einem
Magnetkopf mit einem AE-Sensor ausgerüstet war, aufgebracht, von dem die
Beziehung zwischen der Drehung bzw. Umdrehung und der Flughöhe des
Magnetkopfes durch vorangehende Messungen bekannt war, und die Flughöhe des
Magnetkopfes wurde aus der Drehung des Motors bestimmt, wobei festgestellt
wurde, daß die Höhe 0,04 um oder weniger betrug.