DE69704231T2 - Oberflächenmodifikation von Magnetköpfen - Google Patents

Description

Technologie
• Die zur Debatte stehende Erfindung befasst sich mit allgemeinen Magnetplattenlaufwerken (Festplatten) und besonders mit der Anordnung von Magnetplatte und Magnetkopf. Sie befasst sich besonders mit der Oberflächenmodifikation des Magnetkopfes.
Gegenwärtige Technologie
• Magnetplatten sind Datenspeicher mit einer sehr großen Kapazität. Ungefähr 400 Millionen Zeichen (Bytes) können auf einer Magnetplatte von etwa 95 mm Größe gespeichert werden. Zusätzlich zu der hohen Speicherdichte müssen die Platten auch exakte mechanische und tribologische Eigenschaften aufweisen. Bei jüngeren Anwendungen bewegen sich die Platten mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 5400 Umdrehungen pro Minute. Dies bedeutet, dass der äußere Rand der Platte einer Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h unterworfen ist, in der der Schreib-/Lesekopf nur wenige zehntausendstel eines Millimeters von der Oberfläche der Platte entfernt ist.
• Nur die größte Präzision bei der Herstellung und statistische Verfahrenskontrollen können diese Qualitätsanforderungen erreichen.
• Seit Festplattenlaufwerke mit Magnetköpfen mit niedriger fliegender Anordnung hergestellt wurden, sind diese Festplatten mit einem Schmiermittel ausgestattet worden, um Reibung, Abrieb und Beschädigung (tribologische Effekte) zu verhindern. Das Schmiermittel, im Allgemeinen ein linearer oder verzweigter perflurorierter Polyether wird zuerst auf die Platte aufgebracht, um eine gleichmäßige Oberflächenverteilung sicherzustellen. Solch eine Anordnung ist zum Beispiel aus der DE-AS-28 39 378 und der EP-A-O 123 707 bekannt.
• Andere Systeme basieren auf einem Reservoir für selektiven Dampfdruck, bei dem ein zusätzliches, verdampfbares Schmiermittel in das Laufwerk eingeführt wird, um Kondensation aus der Dampfphase auf den kritischen Bereichen zu erzielen. Wenn ein Magnetkopf jetzt auf eine Platte aufgesetzt wird, die in dieser Weise geschmiert wurde, und das Laufwerk gestartet wird, wird der Kopf durch die Schmiermittel auf der äußeren Schicht der Platte durch molekulare Übertragung von der Platte zu dem Kopf "verunreinigt", der so eine Schmiermittelschicht empfängt.
• Bei solch einer Anordnung von Magnetkopf und Platte zu der Grenzfläche der Festplatte kommt die vorbeiströmende Luft auch über zwei fluorisierte Flächen. Aufgrund des autophobischen Charakters der Schmiermittelschicht wird die Energie, die bei einem Zufallskontakt zwischen dem Kopf und der Platte übertragen wird, auf ein Minimum reduziert.
• Die Schmierung des Magnetkopfes hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass das Schmiermittel als ein chemischer Oberflächenschutz funktioniert, da die Affinität organischer Materialien, möglicher Ablagerungen und kondensierter Produkte stark verringert wird.
• US-A-5 409 738 beschreibt ein Aufzeichnungsmedium, das aus einem Substrat besteht, einem Dünnfilm zum Aufnehmen entsprechender Daten, einer Schutzschicht auf der Magnetschicht als auch einer Schmiermittelschicht, die auf dieser Schutzschicht angeordnet ist. Durch oxidierende Oberflächenpolymerisation in dem Plasma stellt dies ein hergestelltes Produkt dar, in dem Hauptmolekülketten chemisch mit der Schutzschicht verbunden sind. Auf diese Weise können Verunreinigungen, wie z. B. Wasser oder organische Verbindungen, die zwischen die Platte und das Schmiermittel geraten, vermieden werden. Dieser Prozess hat den Nachteil, dass auf der Oberfläche des Substrates eine zusätzliche diskrete Schicht geschaffen wird, die eine zusätzliche Grenzfläche darstellt und die den Magnetkopf sehr leicht verschmutzen kann. Benetzen des Magnetkopfes mit dem Schmiermittel findet nicht statt.
• In neueren Festplattenlaufwerken ist der Abstand zwischen Kopf und Platte noch geringer, damit eine höhere Speicherdichte erreicht werden kann. Natürlich werden noch größere Anforderungen an die tribologischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Magnetplatte und Kopf gestellt. Um die Oberflächenhärte zu verbessern, wird eine Kohlenstoffschicht, die einem Diamant ähnelt (Kohlenstoffüberzug), auf die Substratoberfläche aufgebracht, auf die das Schmiermittel als Endschicht aufgebracht wird. In dieser Weise kann der Abrieb verringert werden, und eine glatte Schicht wird auf der Magnetplatte erreicht.
• Eine zusätzliche "erwünschte" Schmierung des Magnetkopfes war bisher nicht nötig, da das Schmiermittel automatisch durch den Betrieb des Festplattenlaufwerkes aufgebracht wurde. Es wurde gefunden, dass eine absichtliche Vor-Schmierung des Magnetkopfes ein Problem verstärkt, das bereits als vorhanden bekannt ist und als Ruhereibung bekannt ist.
• Ob die kritische Oberfläche des Magnetkopfes zuerst durch das Schmiermittel oder durch Verunreinigung benetzt wird, hängt unter anderem von den Adsorptionsverhältnissen ab. Generell befasst man sich in solchen konkurierenden Prozessen mit Ausschließungsprozessen, d. h., sollte die Aufnahme von Verunreinigungströpfchen, (z. B. Ölen), vorherrschen, dann ist das Benetzen mit Schmiermittel um so unwahrscheinlicher, da die Oberfläche dann ihre Affinität stärker in Richtung auf das Aufnehmen von Ölen geändert hat. Der Prozess kippt in die eine oder die andere Richtung um. Dies wird auch autokatalytische Affinität genannt.
• Sollten Öltröpfchen aufgenommen werden, dann sammeln sie sich durch den Luftfluss auf der Hinterkante des Magnetkopfes. Wenn der Kopf aufgehört hat, sich über der Platte zu bewegen, dann werden diese durch kapillare Anziehung längs der Unterseite des Magnetkopfes in den Spalt zwischen dem Kopf und der Platte gezogen und heften so den Magnetkopf auf die Platte (Glasplatteneffekt). Wenn der Kopf sich für eine ausreichend lange Zeit nicht bewegt und der Hefteffekt entsprechend stark ist, kann dieses Phänomen dazu führen, dass der Magnetkopf von seinem Halter gezogen wird und dazu, dass der Magnetplatte eine irreparable Beschädigung zugefügt wird.
• Aufgrund der zunehmenden Optimierung der Grenzfläche in Richtung auf größere Speicherdichte und geringere Schreib-/Leseabstände scheint jetzt eine Grenze dadurch erreicht zu sein, dass das Schmiermittel im Laufe der anfänglichen Benutzung eines Plattenlaufwerkes nicht länger schnell genug von der Platte zu dem Kopf übertragen wird. Jüngste analytische Beobachtungen seitens des Anmelders haben gezeigt, dass abhängig von gewählten Schreib-/Leseabständen auch unter Bedingungen eines mehrwöchigen Betriebs keine Schmiermittelspuren und fast keine geschlossenen Schichten auf den Köpfen vorhanden sind. Andererseits wurden in den ersten Betriebsstunden alle Arten von Verunreinigungen, wie z. B. Weichmacher, Entgasungsprodukte von Klebstoffen und Elastomeren usw., gemessen, die den Betrieb des Laufwerkes beeinträchtigen könnten und zu Fehlern aufgrund von Ruhereibung führen könnten.
• Da keine Schmiermittelschicht direkt auf den Lesekopf aufgrund der oben beschriebenen Ruhereibung-Probleme hinzugefügt werden kann und andererseits ein Mangel einer Schutzschicht zur Aufnahme von Verunreinigungen führt und so zu einer erneuten Ruhereibung, besteht die Notwendigkeit, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet, dass eine Schmiermittelschicht auf den Kohlenstoffüberzug des Magnetkopfes aufgebracht wird, ohne dass gleichzeitig die Nachteile von Ruhereibungseffekten akzeptiert werden müssen. Außerdem sollte keine weitere Schicht auf den Magnetkopf aufgebracht werden müssen, da diese im Vergleich zu der harten Kohlenstoffüberzugsschicht weich und daher wieder ein Anlass für eine weitere Verunreinigung wäre.
• Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen vorhandenen Prozess voranzubringen, der es gestattet, die äußere Atomlage der diamantartigen Schicht auf dem Magnetkopf so zu modifizieren, dass einerseits eine große Affinität in Richtung auf die benutzten Schmiermittel erreicht wird bei andererseits geringer Affinität gegenüber Verunreinigungen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, solch einen Prozess verfügbar zu machen, ohne dass eine zusätzliche Schicht aufgebracht werden muss.
• Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, den autokatalytischen Prozess der Materialadsorption in der richtigen Richtung vom Start an zu steuern.
• Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch den erfindungsgemäßen Prozess nach Anspruch 1 und den Magnetkopf, der eine äußerste Atomlage gemäß Anspruch 9 trägt.
• Weitere vorteilhafte Formen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
• Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf Magnetköpfe mit diamantartigen Beschichtungen beschränkt, sondern allgemein für die Modifikation der äußeren Atomlage von Schichten benutzt werden kann, die auf ein Substrat aufgebracht werden. Sie wird nur aus Gründen der Bequemlichkeit unter Benutzung solch einer Festplattengrenzfläche erläutert. Die Parameter können gemäß dem Substrat und den darauf aufgebrachten Schichten variieren. Ein Fachmann kann sich nach einem einfachen Experiment über die richtigen Parameter informieren.
• Die wichtigsten funktionellen Gruppen der Perfluorpolyether, die sich als Schmiermittel erwiesen haben, sind die -CF&sub2; und die -CF&sub3;-Gruppen. Diese geben dem Schmiermittel und der geschmierten Oberfläche einen "teflonartigen" Charakter hinsichtlich der Eigenschaften des Gleitens und der Affinität. Unter Benutzung dieser Erfindung werden diese Gruppen direkt auf dem Magnetkopf durch Modifikation der Kohlenstoffüberzugsschicht erzeugt.
• In dieser Hinsicht werden feste, kovalente Bindungen auf der Oberfläche des Substrates geschaffen, die die beste chemische Verankerung auf dem Substrat sicherstellen.
• Außerdem vermeidet der erfindungsgemäße Prozess die Bildung langer Polymerketten auf der modifizierten Oberfläche, in der pro Kohlenstoffatom statistisch weit weniger gebildet werden als Bindungen zum Substrat. Unter Benutzung des erfindungsgemäßen Prozesses wird die größte Anzahl von Fluoratomen mit einer besonders hohen Anzahl von festen Bindungen an die Oberfläche eingefangen, ohne in eine geschlossene Schicht übergeführt zu werden.
• Um die Oberfläche des Magnetkopfes so gleichmäßig wie möglich zu ändern und um die Bildung eines Inseleffektes zu vermeiden, wie z. B. mit chemischem Tauch- oder Kondensationsmethoden (diese würden zu funktionell haltlosen Oberflächeninhomogenitäten und Grenzschichteffekten führen), sind radikale und ionische Plasmaprozesse besonders geeignet.
• Solche Prozesse werden normalerweise in einer Plasmakammer oder einem Reaktor ausgeführt, wobei solch eine Kammer im Prinzip in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeiten kann. Wenn z. B. Gase benutzt werden wie SF&sub6; usw. bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Leistung des HF-Generators, arbeitet die Kammer im Ätzmodus, d. h. unter bestimmten Bedingungen wird die zu prozessierende Oberfläche des Substrates abgetragen (RIÄ - reaktives Ionenätzen).
• Wenn andererseits Kohlenwasserstoffe benutzt werden, wie z. B. CH&sub4;, auch bei einem bestimmten Druck und/oder einer bestimmten Leistung des HF-Generators, dann werden zusätzliche Schichten auf dem Substrat abgeschieden (CVD = chemical vapor deposition = chemische Abscheidung aus der Gasphase), dann arbeitet die Kammer in dem Abscheidungsmodus.
• Wenn die Kammer so betrieben wird, dass diese beiden Modi im Gleichgewicht sind, dann kann ein Zustand erreicht werden, wo das Ätzen und das Abscheiden im Gleichgewicht sind.
• Dies gestattet es, dass die Arbeitsmethode der Kammer auf grundsätzlich ausschlaggebende Parameter eingestellt wird, wobei diese der Druck, die Gaszusammensetzung und die Leistung des HF-Generators sind, so dass weder zuviel Ätzen noch eine zu starke Abscheidung stattfindet, sondern dass nur die Oberfläche des zu bearbeitenden Substrates einfach aktiviert wird.
• Wenn zum Beispiel Argon als Reaktionsgas bei einem Druck von ungefähr 2 · 10&supmin;³ mbar bis ungefähr 8 · 10&supmin;³ mbar, vorzugsweise 6 · 10&supmin;³ mbar, und eine Ausgangsleistung des HF-Generators von ungefähr 100 W bis ungefähr 250 W, vorzugsweise 150 W, benutzt wird, dann wird zuerst die obere Grenzschicht des Substrates durch Ar&spplus;-Ionen aktiviert (Vorkonditionierung), so dass jetzt bestimmte funktionelle Gruppen leicht an die aktivierte Oberfläche gebunden werden können.
• Am Ende eines Plasmaprozesses hat die Oberfläche eines Substrates sehr viele reaktionsfreudige Stellen und damit einen hohen Grad von Reaktionsfreude. Wenn der Prozess abgeschaltet wird, stabilisiert sich die oberste Schicht automatisch selbst, z. B. durch Rekombinationsprozesse und Reaktionen mit Umgebungsmolekülen. Wenn man diesen Prozess nicht dem Zufall überlässt, sondern den Plasmabrenner unter definierten Bedingungen "löscht", d. h. durch spezielles Zuführen eines zusätzlichen fluorierten Gases, werden die oberen Atomlagen durch dieses Gas entsprechend steuerbar modifiziert. Bei der Erfindung wird z. B. CHF&sub3; im Bereich von 10% als ein zusätzlicher Bestandteil der Gasmischung benutzt, obgleich andere fluorhaltige Gase benutzt werden können. Dadurch wird gemäß der Reaktionsgleichung (a) das Substrat durch die Bindungstrennung so modifiziert, dass die CF&sub3;-Gruppen des zusätzlichen Gases dutch das Substratmaterial aufgenommen werden. Durch sekundäre Reaktionen werden -CF&sub2;-und -CF-Gruppen auch aufgenommen, aber nur in einem geringen Ausmaß. In dieser Weise ändert sich die Oberflächenspannung des Substratmaterials so, dass eine verstärkte Affinität zu Schmiermitteln und gleichzeitig eine geringe Affinität zu Verunreinigungen auftritt. Dieses Phänomen ist klar messbar und steuerbar unter Verwendung von Messungen des Benetzungswinkels. Folglich kann das Schmiermittel beim Starten des Plattenlaufwerks auf den Magnetkopf gelangen, bevor der Magnetkopf mit Verunreinigungen kontaminiert ist.
• Unter Benutzung einer analytischen Charakterisierung (ESCA, Laser-ICR, Messungen des Benetzungswinkels) kann gezeigt werden, dass die gewünschten Gruppen sich ausschließlich auf der Oberfläche des Kohlenstoffsubstrates bilden. Diese Modifikation nur der äußeren Atomlage ist ausreichend, um die geforderte Änderung der Oberflächenspannung zu erzielen. Selbst absichtlich geschaffene Schichten einer definierten Dicke zeigen keine Änderungen der Oberflächenspannung, die günstiger sind.
• Darüberhinaus sind sie aufgrund möglichen Abriebs und der Gefahr möglicher Kontaminierung nicht erwünscht. Magnetköpfe, die in dieser Weise modifiziert wurden, wurden in Festplattenlaufwerke eingebaut und erfuhren einen Ruhereibungtest. Darin zeigten diese Plattenlaufwerke nach 30 Tagen keine hohen Motorströme, was eine Anzeige von Ruhereibung gewesen wäre.
Beispiel:
• Zuerst wurde die für die Flugeigenschaften des Magnetkopfes entscheidende Oberflächengeometrie unter Benutzung reaktiver Ionenätzprozesse und Ionenstrahlätzung erzeugt. Um den Magnetkopf vor mechanischem Abrieb und chemischer Korrosion zu schützen, wurde ein dünner Schutzüberzug von diamantartigem Kohlenstoff (Kohlenstoffüberzug, abgekürzt als COC = carbon overcoat) aufgebracht. Am Ende des Prozesses wurde, um die selektiven Adhäsionseigenschaften dieser Schicht und das zugehörige bessere Gleiten des Magnetkopfes auf der extrem dünnen Filmplatte zu verbessern, die obere Atomlage dieser COC-Schicht unter Benutzung des erfindungsgemäßen Prozesses modifiziert.
• Dabei wird ein Plasma gezündet in einer Gasmischung von ungefähr 20-40 sccm Argon (vorzugsweise 20 sccm) und 40-2000 sccm (vorzugsweise 200 sccm) CHF&sub3; bei einer Generatorausgangsleistung von 100-250 W (vorzugsweise 150 W), und die Oberfläche des Substrates wird so modifiziert.
• Das Aufbringen einer COC-Schicht und die Modifikation der Oberfläche kann entweder unmittelbar nacheinander ausgeführt werden oder in einem Zweistufenprozess, wobei die Plasmakammer auf den entsprechenden Druck und die Zusammensetzungsverhältnisse rekonditioniert wird. Die letztere Arbeitsmethode schafft reproduzierbare Ergebnisse und macht den Prozess unabhängig von voraufgehenden Prozessbedingungen.
• Der hier beschriebene Prozess hat den Vorteil, dass aufgrund der Modifikation nur der äußeren Atomlage des Substrates kein Fällen einer zusätzlichen Schicht notwendig ist, die auch eine Quelle von Verunreinigungen sein könnte. Außerdem gibt es keinen zusätzlichen magnetischen Zwischenraum (effektiver Abstand zwischen Magnetschicht und Schreib/Leseelement bei konstanter Höhe). Außerdem können in dieser Weise die Oberflächenparameter wie Absorption, Desorption und Gleiten speziell gesteuert werden, ohne dass die positiven Eigenschaften des Kohlenstoffüberzugs verloren gehen. Eine Änderung in ihrer Härte kann nicht gemessen werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßes Prozesses kann in der Tatsache gesehen werden, dass keine zusätzliche Hardware für das Ausführen des Prozesses erforderlich ist.
• Die hier beschriebene Oberflächenmodifikation zum Konditionieren tribologischer Schichten kann nicht nur auf den Kohlenstoffüberzug von Magnetköpfen angewandt werden, sondern z. B. auch für die Kohlenstoffschichten von Festplatten.
• Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Modifikationsprozesses, der CHF&sub3; benutzt, können bei Leim- und Klebtechnologien gefunden werden wie auch beim Konditionieren der nachfolgenden Polymerisation. Hier kann der Prozess vor allem für das Prüfen der Grenzflächen zwischen dem Substrat und der Beschichtung benutzt werden. Die Bindung der ersten Atomlage ist so vordefiniert.
• Die Benutzung weiterer fluorierter Gase ist gleichfalls möglich. Es muss jedoch zumindest ein Wasserstoffatom in dem Reaktionsteilnehmer vorhanden sein.

Claims (9)

1. Verfahren zum Modifizieren der äußeren Atomlage von Schichten, die in einer Plasmakammer auf ein Substrat aufgebracht wurden,

gekennzeichnet durch die Schritte des

- Einführens eines aktivierenden Gases und von CHF&sub3; oder eines anderen fluorierten Gases, das zumindest ein H-Atom besitzt, das funktionell das CHF&sub3; ersetzen kann, in die Plasmakammer, wobei die Parameter, die grundsätzlich das Arbeiten der genannten Plasmakammer bestimmen, d. h. der Druck, die Leistung des HF-Generators, die Zusammensetzung des genannten aktivierenden Gases und des fluorierten Gases, einander angepasst sind, so dass die genannte Plasmakammer in einem Gleichgewicht zwischen dem Ätzen durch das genannte fluorierte Gas und der Abscheidung aus der Gasphase arbeitet,

- Zündens des Plasmas, wodurch die obere Grenzschicht der Fläche des genannten Substrates mittels des genannten aktivierenden Gases aktiviert wird, und

- Löschens des Plasmas, wenn der Gleichgewichtszustand zwischen dem Ätzen und dem Abscheiden erreicht ist.

2. Verfahren gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Magnetkopf ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichet, dass die genannte obere Grenzschicht, die auf das genannte Substrat aufgebracht wird, eine diamantartige Kohlenstoffschicht ist.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte aktivierende Gas ein inertes Gas ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas Argon ist.

6. Verfahren gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Bereich von etwa 2 · 10&supmin;³ mbar bis etwa 8 · 10&supmin;³ mbar liegt, vorzugsweise 6 · 10&supmin;³ mbar beträgt, und die Ausgangsleistung des HF-Generators etwa 100 W bis etwa 250 W, vorzugsweise 150 W, beträgt.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des genannten fluorierten Gases etwa 10% der Gasmischung beträgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluorierte Gas CHF&sub3; ist.

9. Magnetkopf, der eine Kohlenstoffüberzugsschicht trägt, in der allein die äußerste Atomlage dieser Schicht organische, fluorierte Gruppen enthält.