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Schutzumfang
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Magnetplatten.
Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Regelung der Mikrorauigkeit
der Oberflächen
von Magnetplatten.
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Stand der
Technik
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Magnetplatten
sind Datenspeichervorrichtungen mit einer sehr großen Speicherkapazität. Ca. 400
Millionen Zeichen (Bytes) können
auf einer etwa 95 mm großen
Magnetplatte gespeichert werden.
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Neben
der hohen Speicherdichte müssen die
Platten auch exakte mechanische und auch bestimmte tribologische
Eigenschaften aufweisen. Beim späteren
praktischen Einsatz bewegen sich die Platten mit etwa 5400 Umdrehungen
pro Minute. Das bedeutet, dass der äußere Rand der Platte eine Geschwindigkeit
von bis zu 100 km/h erreicht, während der
Lese/Schreib-Kopf weniger als ein zehntausendstel Millimeter (< 100 nm) von der
Oberfläche der
Platte entfernt ist.
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Nur
wenn bei der Herstellung und bei der statistischen Prozesslenkung
auf äußerste Genauigkeit geachtet
wird, ist es möglich,
diese Qualitätsanforderungen
zu erfüllen.
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Aufgrund
seiner hohen Dichte wird in modernen Magnetplatten mit hoher Kapazität ein magnetisches
Dünnschichtmedium
zur Speicherung der Daten verwendet. In einer im Allgemeinen weit
verbreiteten Anordnung liegt ein Magnetkopf auf der Oberfläche der
Magnetplatte innerhalb einer datenfreien Start-Stopp-Außenrandzone,
wenn die Magnetplatte nicht in Betrieb ist.
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Eine
alternative Anordnung ist der so genannte Load/Unload-Mechanismus,
bei dem der Dünnschichtkopf
außerhalb
der Platte aufsitzt und nur über
die Plattenoberfläche
geführt
wird, wenn er eine Lese/Schreibaktivität durchführt.
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Als
Ergebnis der Drehbewegung der Platte wird bei beiden Vorgängen zwischen
Kopf und Platte ein Luftpolster gebildet, der den Kopf stützt.
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Die
an der Grenzschicht zwischen Magnetkopf und Platte vorherrschenden
Bedingungen werfen eine Reihe von tribologischen Problemen auf.
In der beschriebenen Anordnung, bei welcher der Kopf innerhalb der
Start/Stopp-Zone aufliegt, gleitet der Kopf über die Oberfläche der
Platte, bis die Drehgeschwindigkeit der Platte hoch genug ist, um
den Kopf aufzuheben. Eine Verunreinigung der Oberfläche, die aus
dem Kontakt des Kopfs mit der Platte resultieren kann, kann zu einem
Abrieb der korrosionsbeständigen
Beschichtungen auf der Platte und zu einem frühzeitigen Versagen der Platte
oder des Kopfs führen.
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Um
Abrieb und Verschleiß zu
verringern, wird die Magnetplatte üblicherweise mit einem Gleitmittel
versehen. Wenn die Oberfläche
der Platte jedoch im Wesentlichen glatt ist, führt die hohe Oberflächenenergie
des Gleitmittels zu einer deutlich verstärkten Haftung zwischen Kopf
und Platte (Haftreibung). Als Folge nimmt die Kraft zu, die zum
Drehen der Platte und Anheben des Kopfs erforderlich ist. Das kann
leicht zu einer Verformung und Beschädigung der äußerst empfindlichen Magnetkopfaufhängung und
somit zum Ausfall des gesamten Laufwerks führen.
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Um
diese ungewünschte
Haftwirkung zu verringern, wird die Oberfläche der Magnetplatte üblicherweise
vor Auftragung der magnetisch aktiven Dünnschicht aufgeraut, d.h. ihr
wird eine Struktur gegeben, sodass der Kopf, wenn er über die
Oberfläche gleitet,
auf der er auf der Platte aufliegt, anstatt mit der glatten Plattenoberfläche mit
sehr geringer Rauigkeit in Kontakt kommt. Bei solch einem Strukturierungsverfahren
werden entweder eine Reihe von sehr kleinen Rillen oder Furchen
in die Magnetplatte geschliffen (mechanische Strukturierung) oder
erwünschte
Erhebungen durch lokales Aufschmelzen erzeugt (Laserstrukturierung).
Beispiele für
solche Strukturierungsverfahren finden sich in den US-Patenten 4.287.225;
4.698.251: 4.735.840 und 4.973.496.
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Auch
bei der so genannten Load/Unload-Anordnung, bei welcher der Magnetkopf
außerhalb
der Platte „geparkt" wird, spielt die
Strukturierung oder Oberflächenrauigkeit
der Magnetplatte eine große Rolle
in Bezug auf den geringstmöglichen
magnetisch wirksamen Spalt zwischen Magnetkopf und Platte.
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IBM
TDB Bd. 34, Nr. 5, S. 381-382, beschreibt die Verwendung von Plasmaverfahren
zur Herstellung von zufälligen
Nanostrukturen auf einer Oberfläche.
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Die
EP-A-0 567 748 offenbart die Herstellung und Verwendung von rauen
Siliciumoberflächen.
Die Herstellung solcher Oberflächen
unter Kontrolle der Rauigkeitsdichte umfasst a) ein LPCVD-Verfahren (Low
Pressure Chemical Vapour Deposition) im Bereich von 1-5 mTorr und
b) die Verwendung einer Oberfläche
aus thermischem SiO2, das bei einer Temperatur
im Bereich von 500-600 °C
nur eine geringe Reaktion mit SiH4 durchläuft. Eine
Siliciumoberfläche,
die auf solche Weise behandelt wurde, wird beispielsweise unter
anderem als Substrat für
Magnetplatten mit geringer Haftreibung verwendet.
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Research
Disclosure n289, Mai 1988, offenbart das Aufdampfen einer so genannten
Metallgrundierung auf ein Substrat, um eine Strukturierung zu erreichen.
Der aufgedampfte Metallfilm erzeugt eine gleichmäßige Mikrorauigkeit, sodass
die Magnetschicht und Beschichtung, die danach aufgebracht werden,
diese Rauigkeit nachbilden. In einer speziellen Ausführungsform
wird Chrom (Cr) auf ein Substrat aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung
aufgedampft, das einen Nickel-Phosphor-Oberflächenfilm trägt.
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Die
US-A-5456978 offenbart einen magnetischen Dünnschichtmechanismus, der durch
Sputtern einer Chrom-Unterschicht mit einer gesputterten Chrom-Unterlage
hergestellt wird. Die Unterschicht kann teilweise oxidiert sein.
Dieses Dokument entspricht somit dem Oberbegriff aus Anspruch 1.
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Die
oben genannten Verfahren bringen jedoch den Nachteil mit sich, dass
sie keine präzise Kontrolle
der Mikrorauigkeit der Oberfläche
erlauben und/oder sehr zeitaufwendig und deshalb kostenintensiv
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung auch für die
so genannte Load/Unload-Anordnung geeignet ist, wird nachstehend
nur die Verwendung in Anordnungen erläutert, bei denen der Magnetkopf
in einer Start/Stopp-Zone auf der Platte ruht.
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Bei
der Herstellung von Magnetplatten für Desktop- und Server-Laufwerke
ist das am häufigsten
verwendete Substrat NiP-beschichtetes Aluminium, auf das durch Sputtern
Metallatome aufgebracht werden. Beispiele für verwendete Sputtermaterialien sind
Cr, Ni und Co+Cr+Pt, Co+Cr+Pt+Ta usw., wobei Chrom insbesondere
bevorzugt ist. Während
des Sputterverfahrens wachsen die Metallatome auf jenen Regionen
der Oberfläche
der Magnetplatte schneller, die das Wachstum energetisch begünstigen.
Das gilt für
Regionen, die eine dickere Oxidschicht aufweisen als ihre Umgebung
(Oxidinseln). Bevorzugte Oxidation findet auf Regionen mit einer speziellen
Topographie (Erhöhungen,
Rillen, Kratzer usw. auf atomarer Ebene) oder in Regionen mit einer bestimmten
Oberflächenzusammensetzung
statt, die thermodynamisch für
Metallwachstum förderlich
ist. An all diesen Orte, an denen das bevorzugte Wachstum stattfindet,
werden kleine Metallatomaggregationen, so genannte Cluster („nodules"), gebildet. Diese Cluster
werden dann mit den Schichten (Magnetschicht, Schutzschicht) überzogen,
die danach aufgetragen werden, was zu etwa halbkugelförmigen Vorsprüngen auf
der fertigen Plattenoberfläche
führt.
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Die
Größe und Dichte
der Cluster wirken sich deutlich auf die Eigenschaften der Magnetplatte
aus. Wenn die Cluster relativ klein und zahlreich sind (Durchmesser
10-20 nm), ist die erhaltene Oberfläche mikroskopisch relativ glatt
und homogen, was eine sehr geringe Schwebehöhe für den Magnetkopf und somit
eine effiziente magnetische Wechselwirkung zwischen Kopf und Platte
ermöglicht.
Wenn der Kopf jedoch auf einer Platte mit sehr kleinen Clustern aufsetzt,
kann das große
Haftvermögen
zu einer Erhöhung
der Haftreibung führen.
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Große Cluster
(ca. 50-60 mm (sic)) mit einer geringen Verteilungsdichte vergrößern andererseits den
magnetisch aktiven Spalt zwischen Kopf und Platte und verringern
so die erreichbare Schreibdichte. Außerdem erzeugen sie Oberflächenunebenheiten,
welche den tribologisch verursachten Verschleiß der Platte erhöhen, die
mit einer Abblätterung
am Magnetkopf einhergeht, sodass die Betriebsdauer des Plattenlaufwerks
verkürzt
wird.
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Wenn
die verwendete Kopf/Platte-Schnittstelle andererseits zu erhöhter Haftreibung
neigt, beispielsweise aufgrund von organischer Verunreinigung oder
einer sehr glatten Kopfoberfläche,
dann dienen große
Cluster – durch
eine Verkleinerung der effektiven Kontaktoberfläche des Kopfs mit der Platte – dazu,
das Kopf/Platte-Haftvermögen zu verringern.
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Ein
weiterer negativer Aspekt von großen Clustern ist die Gefahr
einer Oberflächenbeschädigung in
den Reinigungsverfahren nach dem Sputtern, bei denen Oberflächenunebenheiten
abgeschliffen werden und die zur Beschädigung der obersten Schutzschicht
der Platte führen.
So wird die Korrosionsbeständigkeit
der Platte gegenüber
der Einwirkung von Feuchtigkeit und schädlichen Substanzen stark verringert.
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Daher
ist es von großem
Interesse, die Größe der Cluster
so genau wie möglich
kontrollieren zu können,
d.h. indem sie in einen Bereich gebracht werden, der einerseits
die Gefahr von Haftreibung verringert und andererseits den magnetisch
aktiven Abstand im Hinblick auf die bestmögliche Schreib/Lese-Leistung
minimiert.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine Kontrolle der Größe der Cluster
und somit eine gezielte Beeinflussung der Mikrorauigkeit der Magnetplatte.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von Magnetplatten
bereitgestellt, umfassend einen Schritt des Sputterns von Metallatomen
auf die Oberfläche
der Magnetplatte, worin bestimmte Bereiche der Oberfläche der
Magnetplatte vor dem Sputterverfahren selektiv oxidiert wurden;
dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Oxidation mithilfe eines
Spülverfahrens durchgeführt wird,
das vor dem Sputtern ausgeführt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
des Verfahren gemäß der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht,
falls gewünscht,
eine genaue Kontrolle der Oberflächenrauigkeit
der Magnetplatte, die durch Cluster verursacht wird. Das bringt
den Vorteil einer gezielten Verringerung der Haftreibung, einer
Steigerung der Magnetleistung und einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
der Magnetplatte mit sich.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen erläutert.
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Diese zeigen Folgendes:
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1 zeigt
die Oberfläche
eines Substrats mit einem normalen Sauerstoffgehalt, die bei 60 °C gespült wurde;
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2 zeigt
die Oberfläche
eines Substrats, das mit sauerstoffarmem Wasser gespült wurde;
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3 zeigt
die Oberfläche
einer Magnetplatte, die aus einem in 1 dargestellten
Substart hergestellt wurde; und
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4 zeigt
die Oberfläche
einer Magnetplatte, die aus einem in 2 dargestellten
Substrat hergestellt wurde.
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Beschreibung
der Erfindung
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Bei
der Herstellung von Desktop- und Server-Magnetplatten wird ein NiP-beschichtetes Al-Substrat
mechanisch strukturiert, beispielsweise mit einer Diamantensuspension
(Erzeugung von Rillen), kräftig
gewaschen (vor dem Sputtern) und dann in einem Sputterverfahren
mit einem Metallfilm und einem Schutzfilm aus diamantenähnlichem
Kohlenstoff (Kohlenstoff-Deckschicht) vakuumbeschichtet. Nach einer
weiteren Reinigung wird die Platte eingefettet und schließlich magnetisch
und mechanisch getestet.
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In
einem Waschschritt vor dem eigentlichen Sputterverfahren wird die
NiP-Substratoberfläche
unter Verwendung eines aggressiven Reinigers (z.B. eines Flussmittels
oder einer phosphorsäurehältigen Lösung) geätzt, wodurch
Strukturierungsreste und die gesamte Oxidschicht auf der Oberfläche entfernt werden.
Darauf folgen weitere Bürst-
und Spülschritte.
Der letzte Schritt vor dem Waschen umfasst das Eintauchen des gereinigten
Substrats in heißes
Wasser, wodurch das Substrat ausreichend erwärmt wird, sodass es in sehr
kurzer Zeit trocknet.
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Die
Substratoberfläche
wird als Ergebnis des im Spülwasser
gelösten
Sauerstoffs oxidiert, wodurch Oberflächenoxide (NiOx,
NiPOx) gebildet werden. Da diese Oxidation
nicht gleichmäßig, sondern vorzugsweise
an Stellen stattfindet, die entsprechende topographische Merkmale,
wie z.B. Rillen, Kratzer usw., oder eine bestimmte Oberflächenzusammensetzung
aufweisen, sodass thermodynamisch förderliche Bedingungen herrschen,
ist das Ergebnis die Bildung so genannter Oxidinseln, die einen
höheren Oxidgehalt
aufweisen als ihre Umgebung. Die Oxidinseln reagieren dann vorzugsweise
mit dem elementaren hochreaktiven gesputterten Metall. So werden
thermodynamisch sehr stabile Oxide, wie z.B. Cr2O3, wenn Chrom als Sputtermetall verwendet wird,
erhalten, die Keimpunkte für
weiteres Metallwachstum bilden.
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Die
Erfindung beabsichtigt nun eine präzise Kontrolle des Sauerstoffgehalts
des wässrigen
Mediums im letzten Spülvorgang
vor dem Sputterverfahren selbst, wodurch die Oxidation geregelt
wird, die auf der Oberfläche
des Substrats stattfindet.
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Auf
diese Weise wird eine selektive Oxidation bevorzugter Regionen der
Oberfläche
erreicht, nämlich
jener, auf denen Rillen, Ritzer usw. vorhanden sind, oder thermodynamische
Anforderungen werden erfüllt
(Oxidinseln). Dazu muss das Spülmaterial
eine hohe Temperatur aufweisen, die im Bereich von etwa 30 bis 80 °C liegt,
vorzugsweise aber 60 °C
beträgt.
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Unbehandeltes
Wasser (d.h. keine Desinfektion durch Ozonbehandlung usw.) weist
einen Sauerstoffgehalt bei 60 °C
von etwa 4-5 mg/l auf. Eine Reduktion des Gehalts an gelöstem Sauerstoff
im Spülwasser
auf Werte im Bereich von 0-4 mg O2/l, beispielsweise
durch Entgasung (Einführung
von Stickstoff) führt
zu einer deutlichen Verlangsamung der Oxidation der Oberfläche des
Substrats bei Kontakt mit dem Spülwasser.
Die Bildung von Regionen mit einer schwereren Oxidbeschichtung ist
dann inkomplett, und das Ergebnis ist entweder keine Oxidinseln oder
nur sehr kleine und nicht sehr ausgeprägte Inseln. Wenn das Substrat
schließlich
in einer Standardatmosphäre
getrocknet wird, bildet sich auf der Substratoberfläche aufgrund
der Wirkung von atmosphärischem
Sauerstoff eine dünne
und sehr homogene Oxidbeschichtung.
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In
Bezug auf die Metallatome, die während des
nachfolgenden Sputterverfahrens auf die Oberfläche des Substrats treffen,
ist keine Region mit einer größeren Oxiddicke
erkennbar, und viele kleine Metallwachstumspunkte werden gebildet,
die dann zur Bildung von kleinen Clustern (Durchmesser ca. 10 nm)
mit sehr hoher Oberflächendichte
führen.
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Außerdem ist
es möglich,
eine Homogenisierung, d.h. eine Reduktion der Clustergrößenverteilung,
zu erreichen, wenn das Substrat nach dem Spülvorgang einer Heißlufttrocknung
unterzogen wird. Als Ergebnis der Wirkung der heißen Luft
wird ein besonders gleichförmiges
Wachstum der Oberflächenoxidschicht
erreicht, was wiederum zur Hemmung eines bevorzugten Metallwachstums
im nachfolgenden Sputterverfahren führt, sodass zahlreiche kleine
Cluster mit ähnlicher
Größe gebildet
werden.
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Eine
Erhöhung
des Sauerstoffgehalts im Spülmedium
auf Werte im Bereich von etwa 5-10 mg O2/l,
beispielsweise durch Abschalten der Entgasung und/oder gegebenenfalls
Einführung
von weiterem Sauerstoff, führt
andererseits zur Bildung von klar erkennbaren Oxidinseln auf der
Substratoberfläche. Diese
Inseln weisen einen ungefähren
Durchmesser von ≤ 10
nm und eine Höhe
von etwa 5-10 nm auf. Im nachfolgenden Abscheidungsvorgang können sehr große Cluster
(Durchmesser 50-60 nm) mit einer geringen Dichte durch bevorzugtes
Wachstum der Metallatome auf den Oxidinseln erzeugt werden.
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Beispiel
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Um
die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden
Substrate und fertig bearbeitete Magnetplatten, die im letzten Spülschritt des
Substrat-Waschvorgangs
mit unterschiedlichen Mengen Sauerstoff behandelt worden waren,
miteinander verglichen. Die Reduktion des Sauerstoffgehalts im Spülwasser
wurde erreicht, indem in einer herkömmlichen Entgasungsvorrichtung
mit Stickstoff entgast wurde. Das „normale", d.h. nicht entgaste, Spülwasser
diente als Referenz. Die Temperatur des Spülwassers betrug in beiden Fällen 60 °C.
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Das
Substrat wurde zuerst strukturiert und dann gewaschen. Der komplette
Waschvorgang bestand aus einem Ätzvorgang
und einer Abfolge aus Bürst-
und Spülschritten.
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Die
topographische Oberflächencharakterisierung
wurde unter Verwendung von hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie
(REM) bei einer Vergrößerung von
x 50000 durchgeführt.
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1 zeigt
die Oberfläche
eines Substrats, das mit Wasser mit 60 °C und einem Sauerstoffgehalt von
ca. 8 mg O2/l gespült wurde, und 2 zeigt
die Oberfläche
eines Substrats, das mit Wasser mit einem Sauerstoffgehalt von ca.
1,7 mg O2/l gespült wurde.
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Ein „normaler" Sauerstoffgehalt
bezieht sich in diesem Beispiel auf einen Wert von etwa 8 mg O2/l. „Sauerstoffarmes" Wasser bezieht sich
in diesem Beispiel auf einen Wert von ca. 2 mg O2/l.
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Es
ist klar ersichtlich, dass die mit dem höheren Sauerstoffgehalt gespülte Oberfläche kleinere Vorsprünge (Cluster)
mit einem Durchmesser von maximal 10 nm aufweist, während auf
der Oberfläche,
die mit entgastem Wasser gespült
wurde, diese Vorsprünge
vollkommen fehlen oder durch REM nicht mehr detektierbar sind.
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Die
vorliegenden Substrate wurde dann in nachfolgenden Sputterverfahren
mit einer Cr-Schicht (30 nm dick), einer Co/Pt/Cr-Schicht (40 nm
dick) und einer Kohlenstoffschicht (10 nm dick) versehen und eingefettet.
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3 zeigt
die Oberfläche
einer Magnetplatte, die aus einem normalen Substrat hergestellt
wurde, d.h. einem, das mit sauerstoffhältigem Spülwasser gespült wurde.
Halbkugelförmige
Vorsprünge (Cluster)
mit einem Durchmesser von 50-60 nm sind klar erkennbar. Die Dichte
dieser Cluster ist im Großen
und Ganzen mit der Dichte der entsprechenden Substratvorsprünge vergleichbar.
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4 zeigt
die Oberfläche
einer Magnetplatte, die aus einem Substrat hergestellt wurde, das
mit entgastem Spülwasser
behandelt wurde. Sie weist keine mit REM detektierbaren Vorsprünge auf
und korreliert so mit der entsprechenden komplett glatten Substratoberfläche.
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Der
Unterschied zwischen den beiden Plattenoberflächen ist deutlich und gut reproduzierbar.
Das mit entgastem warmem Wasser behandelte Substrat stellt neben
der Strukturrauigkeit komplett glatte Oberflächen bereit, während die
mit warmem Wasser mit einem höheren
Sauerstoffgehalt gespülten
Substrate direkt nach dem Waschvorgang kleine Vorsprünge (Oxidinseln)
auf der Oberfläche
aufweisen, aus denen während
des nachfolgenden Sputterverfahrens relativ große Cluster gebildet werden.
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Auf
diese Weise kann die Oberflächenrauigkeit
der Magnetplatten durch die Kontrolle des Sauerstoffgehalts des
Spülwassers
vor dem Sputterverfahren präzise
eingestellt werden.