JP6563708B2 - 薄膜磁気ヘッド用基板、磁気ヘッドスライダ、および、ハードディスクドライブ装置 - Google Patents

薄膜磁気ヘッド用基板、磁気ヘッドスライダ、および、ハードディスクドライブ装置 Download PDF

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Description

本発明は、ハードディスクドライブ装置の磁気ヘッドスライダに用いられる薄膜磁気ヘッド用基板に関する。
映像の高精細化などにつれマルチメディアデータの情報量は近年ますます増加しており、これを記録するための情報記録装置の容量も大きくすることが求められている。ハードディスクドライブ装置は、パーソナルコンピュータのデータ格納装置や、テレビジョンに接続される録画機器などとして用いられる情報記録装置であり、その容量をより大きくし、装置を小型化することが求められている。
図１（ａ）は、一般的なハードディスクドライブ装置（以下、ＨＤＤと呼ぶことがある）が備える薄膜磁気ヘッドスライダアセンブリ１０と、磁気記録媒体としてのディスク（プラッタ）１３とを模式的に示している。図１（ａ）に示すように、ジンバル１４により保持されたスライダ１０Ａは、基部１１および基部１１の一方の端部に設けられた読み込み素子および書き込み素子１２（以下、単に素子１２（transducer）と呼ぶことがある）から構成されている。ジンバル１４によって保持されるユニットをヘッドスライダ、あるいは単にスライダと呼ぶことがある。
素子１２のうち、書き込み素子は、磁性材料から形成されている。リングの内部にコイルが巻かれており、記録信号をコイルに与えることによって書き込み素子に磁界が発生し、ディスク１３にデータを書き込む。一方、再生ヘッドである読み込み素子は、磁場の変化を電気抵抗の変化に変換する磁気抵抗効果素子（ＭＲ、あるいはＧＭＲ）やトンネル磁気抵抗効果素子ＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistive）などであり、ディスク１３に記
録されている磁気を読み取って電気信号に変換する。
また、素子１２を保持する基部１１は、従来、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系のセラミックス焼結体から形成されることが多かった。これは、熱特性、機械特性、および加工性の点で、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（以下ＡｌＴｉＣと略す）がバランス良く優れているためである。
ところで、ＨＤＤの記憶容量を増大させるためには、ディスク１３における記録密度を向上させることが求められる。現在、ＨＤＤの記録密度は７５０Ｇｂｉｔ／平方インチ程度にまで達している。このような高記録密度での書き込み／読み取り動作を精度よく実現するには、動作中における素子１２とディスク１３との間隙が小さいことが好ましい。現在、この間隙は１０ｎｍ以下にまで小さくなっている。
ハードディスクドライブ装置の小型化や大容量化にともない、薄膜磁気ヘッドがディスクから浮上する高さも低くなり、薄膜磁気ヘッドのスライダのエアベアリングサーフェイス（ＡＢＳ）１１ａの面粗さも、さらに高品位のものが要求されるようになってきている。なお、ＡＢＳ１１ａは、スライダにおけるディスク１３と対面する側の基部１１の表面であり、ディスク１３の回転によって生じた空気流によってディスク面から適切な距離だけ安定的に浮上するようにその形状が工夫されている（図１（ｂ）参照）。
ＡＢＳを所望の形状とするために、基部１１は、ナノレベルで正確に加工できる性質が求められている。通常、基部１１はラッピング工程（ラップ機を用いた研磨工程）などを経て平面に加工された後、上記のような空気流を適切に利用できるような形状に、イオンミリング法やイオンビームエッチング法などのドライエッチング法などを用いて加工される。上記のラッピング工程後の状態において、基部１１の加工面は極めて平滑な平面であることが好ましい。
動作中におけるディスク１３と素子１２との間隙は、基部１１の平滑性以外の要因によっても変化し得る。以下、このような要因の例について説明する。
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、薄膜磁気ヘッド（スライダ）２０は、例えば、ＡｌＴｉＣ基板（基部）２１、Ａｌ2Ｏ3膜２２、素子２３、およびＡｌ2Ｏ3膜２４を積層して形成される。Ａｌ2Ｏ3膜２２、２４は、典型的には、アモルファスのアルミナである。薄膜磁気ヘッド２０を作製する際、ＡＢＳとなる面２５（厚さｔを有する基板２１を、図２（ｂ）右下に示すように棒状体２１'に切り出したときの切り出し面に対応）は、まず研磨によって平坦になるように仕上げられる。ＡＢＳとなる面２５（以下、ＡＢＳ形成面と呼ぶ）は、ＡｌＴｉＣ基板２１と、Ａｌ2Ｏ3膜２２、２４と、素子２３とを含む積層体の断面に対応する。
ＡＢＳ形成面２５において、ＡｌＴｉＣ基板２１とＡｌ2Ｏ3膜２２、２４と素子２３とが露出しているため、ＡＢＳ形成面２５を研磨する際に、これらの要素における硬度の違いが問題となる。ＡｌＴｉＣ基板２１のＡｌ2Ｏ3相およびＴｉＣ相のビッカース硬度Ｈｖはそれぞれ２０００以上であり、アモルファスＡｌ2Ｏ3膜２２、２４および素子２３（金属）のビッカース硬度Ｈｖは７００〜９００および１００〜３００である。
このため、ＡＢＳ形成面２５においてもっとも広い面積を占め、ＡＢＳの主要構成部となるＡｌＴｉＣ基板２１（特にＴｉＣ相）の表面の研磨量が最適となるようにＡＢＳ形成面２５を研磨すると、ＴｉＣ相より硬度の低いＡｌ2Ｏ3膜２２、２４および素子２３が研磨されすぎてしまう。その結果、平坦であるべきＡＢＳ形成面２５において、Ａｌ2Ｏ3膜２２および２４の部分は、ＡｌＴｉＣ基板２１の部分に比べて一段低くなり、素子２３の部分はそれよりさらに低くなってしまう。
一般に、この段差はポールチップリセッション（以下、「ＰＴＲ」と略す）と呼ばれる。ＰＴＲの発生によって、素子と磁気記録媒体との間には余分な空隙が形成されることになる。このため、ハードディスクドライブの記録密度の向上や大容量化の妨げとなる。
上記のように、ＨＤＤの記録密度を高めるためには、動作中におけるスライダとディスクとの間の距離を、できるだけ精密に制御することが求められる。例えば、特許文献１には、焼結体として作製されるＡｌＴｉＣ基板の組織を適切に形成することによって、機械的な加工特性を向上させる技術が記載されている。このような加工特性に優れたＡｌＴｉＣ基板を用いれば、高い形状精度を有する磁気ヘッドを作製することができるので、ディスクに対する磁気ヘッドの浮上量を高い精度で制御することができる。
国際公開第２００８／０５６７１０号
ＡｌＴｉＣ基板から形成されるスライダ基部の片側の面には、ＡＢＳの形状に加工するためのイオンビームエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングが施される。このドライエッチング工程において、エッチング速度の異なる相が存在すると、ドライエッチング後の面粗度が大幅に低下するという問題が生じる場合がある。例えば、ＡｌＴｉＣ基板に含まれるＡｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とのエッチング量は揃えることができたとしても、第３相として例えばＡｌ2ＴｉＯ5相（チタン酸アルミ相）が生成されている場合、そのエッチング量が揃わずにドライエッチング後の面粗度が大幅に低下してしまう場合があった。
また、スライダのサイズが小さい場合、素子を構成するコイルに電流が流れたとき、単位体積あたりに発生する熱量が大きくなってしまうという問題がある。この場合、読み込み素子や書き込み素子が熱による膨張を起こし、磁気記録媒体側へ飛び出してしまう。上記のように、動作時における素子とディスクとの間隔はわずかに１０ｎｍ程度に設定されているので、熱膨張した素子が、磁気記録媒体と接触してしまうおそれがある。
この問題は、ＴＰＴＲ（Thermal Pole Tip Recession）と呼ばれ、ＡｌＴｉＣ基板部分の熱膨張率と、素子を構成する金属部分の熱膨張率との差によって生じるものであり、結果的に動作中において素子が想定以上にディスク側に近づいてしまう。このＴＰＴＲは、スライダ基板の熱伝導率が小さく素子から熱が逃げにくいほど生じ易い。ＴＰＴＲによって素子が磁気記録媒体に接触して破損した場合にはハードディスクドライブ装置が機能しなくなってしまうという重大な故障をもたらす。
また、素子が磁気記録媒体と接触しない場合であっても、素子の熱膨張により、磁気記録媒体と素子との間隔が変化してしまう。たとえば、素子が数ナノメートル膨張すると、磁気記録媒体と素子との間隔は１０％以上変化する。このため、書き込み特性および読み込み特性が大きく変化し、磁気記録媒体へ書き込まれる信号や磁気記録媒体から読み込まれる信号に誤りが生じる可能性がある。
また、スライダの基部を構成するＡｌＴｉＣ基板は、Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とを含む複合セラミック材料であるため、２相の性質の違いにより、種々の問題が生じる。上記のように、Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とのいずれもが非常に硬い性質を有してはいるが、より詳細には、ＡｌＴｉＣ基板において、ＴｉＣ相はＡｌ2Ｏ3相よりも硬く、２相の間には硬度差がある。このため、ＡｌＴｉＣ基板をラッピングすると、Ａｌ2Ｏ3相の方がＴｉＣ相よりも多く研磨されてしまい、ラッピング後のＡｌＴｉＣ基板の表面（以下、ラップ面またはラップ加工面と呼ぶことがある。）において段差（凹凸）が生じることがあった。ＡｌＴｉＣ基板の表面の平滑性が低下すると、ヘッドとディスクとの気流の制御が不安定となり、その結果、設計通りのヘッドの浮上量が得られなかったり、浮上量が不安定になったりするという不具合が生じる。
また、イオンミリング法などによって形成されたＡＢＳにおいても平滑性は重要である。平面を形状加工して得られるＡＢＳの表面粗さのばらつきを小さくするためには、ＡｌＴｉＣ基板中に含まれる微小な気孔（マイクロポア）を低減することが好適である。このような微小な気孔を低減するための技術が、特許文献１に記載されている。
このように、薄膜磁気ヘッド用のＡｌＴｉＣ基板については様々な特性が要求されるが、特に、ＡｌＴｉＣ基板の加工後の平滑性は、小型化・大容量化するＨＤＤにおいて重要である。また、動作時の熱によって生じるＴＰＴＲの影響によって不具合が生じないことも求められる。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、表面の平滑性に優れ、かつ、ＴＰＴＲによる動作不良を防止し得る、ＡｌＴｉＣ系の薄膜磁気ヘッド用基板およびこれを用いた磁気ヘッドスライダやＨＤＤを提供することをその目的とする。
本発明のある実施形態によるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板は、Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とを含み、前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å（１．２９８５ｎｍ）以上１２．９９２Å（１．２９９２ｎｍ）以下であり、かつ、前記ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å（０．４２９７ｎｍ）以上４．３２５Å（０．４３２５ｎｍ）以下である。１Å＝０．１ｎｍである。
ある実施形態において、前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９９１Å（１．２９９１ｎｍ）以下である。
ある実施形態において、前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９９０Å（１．２９９０ｎｍ）以下である。
ある実施形態において、前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８９Å（１．２９８９ｎｍ）以上である。
ある実施形態において、前記ＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å（０．４３１８ｎｍ）以上４．３２５Å（０．４３２５ｎｍ）以下である。
ある実施形態において、前記ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å（０．４２９７ｎｍ）以上４．３１５Å（０．４３１５ｎｍ）以下である。
本発明のある実施形態による磁気ヘッドスライダは、上記のいずれかのＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板を用いて構成されている。
本発明のある実施形態によるハードディスクドライブ装置は、上記の磁気ヘッドスライダを備えている。
本発明によれば、表面の平滑性に優れ、また、熱伝導性が良好である薄膜磁気ヘッド用基板が得られる。このような基板を用いて作製された磁気ヘッドスライダは、ディスクからの浮上量がより精度よく制御され、また、素子からの熱が逃げやすいのでＴＰＴＲによる動作不良の発生も防止される。したがって、ＨＤＤの小型化・大容量化に貢献することができる。
（ａ）、（ｂ）は、磁気ヘッドを示す側面図および斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、他の形態の磁気ヘッドを示す図である。 （ａ）はアルミナの結晶構造を示す斜視図であり、（ｂ）はαアルミナのリファレンスデータ（領域Ａ：原料として用いる粉末状態、領域Ｂ：ＡｌＴｉＣ焼結後の状態におけるＡｌ2Ｏ3相）のそれぞれにおける格子定数（ａ軸およびｃ軸）を示すグラフである。 Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数とＴｉＣ相の格子定数とが異なる実施例および比較例の分布を示す図である。 本発明の実施形態によるハードディスクドライブ装置の構成を示す模式的な斜視図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の実施形態による薄膜磁気ヘッド用基板は、Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とを含むＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系の基板（以下、ＡｌＴｉＣ基板という）である。本実施形態のＡｌＴｉＣ基板において、典型的には、Ａｌ2Ｏ3相がマトリクス相を形成しており、このＡｌ2Ｏ3マトリクス相中にＴｉＣ相が分散された組織が形成されている。
ここで、Ａｌ2Ｏ3相は、Ａｌ2Ｏ3結晶およびＡｌ2Ｏ3結晶を構成する元素の一部が他の元素で置換された結晶からなる相である。また、ＴｉＣ相は、ＴｉＣ結晶およびＴｉＣ結晶を構成する元素の一部が他の元素で置換された結晶からなる相である。
なお、Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とは、例えば、光学顕微鏡やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することによって容易に識別することができる。このように識別されたＡｌ2Ｏ3相およびＴｉＣ相において、Ａｌ2Ｏ3相の格子定数およびＴｉＣ相の格子定数は、後述するように、Ｘ線回折を用いて求められる。
ここで、本実施形態の薄膜磁気ヘッド用基板では、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下に設定されている。なお、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム（ＩＩＩ））は、一般にアルミナ（αアルミナ）と称されることがある。本明細書においても、Ａｌ2Ｏ3をアルミナと称することがある。
なお、アルミナ相およびＴｉＣ相の格子定数は、ＡｌＴｉＣ基板中で完全に一様ではなく、測定場所によってわずかに差があっても良いが、この場合、基板の異なる場所を数点以上測定した平均の値を、そのＡｌＴｉＣ基板における格子定数と見なしてよい。
ここでアルミナ相の格子定数について説明する。アルミナ結晶は三方晶系の結晶構造を有しているが、図３（ａ）に示すように、擬似的に六方晶に近似しており、a軸とc軸にて格子定数を示すことができる。図３（ｂ）に示すように、コランダム構造を有するαアルミナでは、ａ軸の格子定数が４．７５４Åであり、ｃ軸の格子定数が１２．９８２Åであることが知られている。
ただし、図３（ｂ）の領域Ａとして示すように、ＡｌＴｉＣ基板を作製するためのアルミナの原料粉末において、格子定数はａ軸およびｃ軸のそれぞれにおいて、より大きいものとなる。これは、鉱石からアルミナ原料粉末を製造する工程において、Ｎａ、Ｍｇ、ＣａなどのＡｌおよびＯ以外の不純物の元素が残存することによって生じる現象であると考えられる。これらの原子半径はいずれもＡｌの原子半径よりも大きいために、上記の不純物の元素で置換されるほど、結晶格子は大きくなる傾向がある。
また、後述するが、焼結助剤としてのＭｇＯやＹ2Ｏ3などを原料の粉末状態のアルミナおよびＴｉＣに添加して焼結工程を行うことによって、焼結性を高めてＡｌＴｉＣ基板を作製する場合がある。このように焼結助剤を添加すると、焼結工程において、Ａｌ原子の一部と他の元素が置換される。その結果、作製されたＡｌＴｉＣ基板において、図３（ｂ）の領域Ｂとして示すように、ＡｌＴｉＣ基板におけるＡｌ2Ｏ3相の格子定数がａ軸およびｃ軸のそれぞれにおいてさらに大きくなることがある。
以上に説明したように、ＡｌＴｉＣ基板におけるＡｌ2Ｏ3相の格子定数は、製造工程中の種々の要因で変動し得る。そこで、本発明者は、従来検討されていなかったＡｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数に着目し、磁気ヘッドスライダとして用いる場合のＡｌＴｉＣ基板において、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が表面の平滑性等にどのように影響するかについて鋭意実験および検討を行った。
その結果、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数を１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下に設定することによって、ラップ加工面の平滑性（ラッピング工程後の平面度）を向上させることができ、かつ、ＴＰＴＲによる不具合の発生をより確実に防止し得ることを見出した。
これは、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下の範囲であると、よりコランダム構造のαアルミナに近く、不純物の含有量が少ないＡｌ2Ｏ3相を有するＡｌＴｉＣ基板の焼結体が作製され、このことによって、ラッピング工程における研磨プロセスが平滑な面を形成しやすい状態で行われるためであると考えられる。なお、ラップ面の平滑性は、ラップ面の平均粗さＲａ（ｎｍ）（本明細書においては、ＪＩＳ規格番号ＪＩＳ Ｂ ０６０１:１９４４、ＪＩＳ Ｂ ００３１：１９９４にて定義さ
れている算術平均粗さＲａを意味する）によって表すことができる。Ａｌ2Ｏ3相の格子定数がコランダム構造のαアルミナに近づくことで、硬さを維持でき、その結果ＴｉＣ相との硬さの差が小さくなり、２相の硬さの差による平滑性の差などが大きくならない。
本発明の実施形態においては、アルミナ粉末の特別の選定、あるいは、焼結助剤の添加量の抑制などによって、焼結後に得られるＡｌＴｉＣ基板に含まれる不純物の量を低下させている。より具体的には、アルミナの原料粉末として、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａなどの不純物（アルミナの結晶格子中に固溶状態で存在）の含有量が例えば１００ｐｐｍ以下の原料粉末を使用する。また、主として焼結時においてアルミナ相を形成するアルミナ結晶格子に侵入する焼結助剤を、粉末混合の時点で著しく少なく、もしくは使用せずに、焼結体中においてＡｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数を一定値以下とするものである。
ラップ加工面の平滑性を向上させるという観点からは、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下であることが好ましく、１２．９９１Å以下であることがより好ましく、１２．９９０Å以下であることがさらに好ましい。これは、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が低いために、硬さやラップ加工性がコランダム構造のαアルミナに近く、その結果、ＡｌＴｉＣ基板中のＡｌ2Ｏ3相と比較してＴｉＣ相との研磨レートの差を小さくできるからである。Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相との研磨レートの差が小さいことによって、研磨後の面がより平滑になる。
また、上記のようにラップ加工面を平滑にできるだけではなく、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下の範囲にあると、ＴＰＴＲ（Thermal Pole Tip Recession）によって素子がディスクに衝突する不具合が低減されることが本発明者によって確認された。これは、本実施形態のＡｌＴｉＣ基板では、熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））が比較的高くなり、このことによって、書き込みまたは読み込み動作中に発生した熱が、ＡｌＴｉＣ基板を介して外部に容易に放出されるためであると考えられる。一般に、素子を構成する金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉまたはＦｅ−Ｐｔ材などが主に使われており、いずれの熱膨張係数もＡｌＴｉＣ基板の２〜３倍と比較的大きい。このため、動作中の熱によって素子の膨張が生じ易いが、アルミナ相の格子定数が上記範囲にあるようなＡｌＴｉＣ基板を用いることによってスライダの放熱特性を向上させることができるので、ＴＰＴＲによる不具合の発生を効果的に抑制することができる。
なお、ＴＰＴＲによる不具合の発生を防止するという観点からは、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数は１２．９９１Å以下であることがより好ましく、１２．９９０Å以下であることがさらに好ましい。
以上の説明からわかるように、ラップ加工面の平滑性および熱伝導率を向上させるためには、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数がなるべく低いことが好ましい。ただし、工業的な入手し易さを考えると、Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数は、１２．９８５Å以上であることが好ましく、１２．９８９Å以上であることがより好ましい。
また、本実施形態の薄膜磁気ヘッド用基板では、ＡｌＴｉＣ基板におけるＴｉＣ相の格子定数が、４．２９７Å以上４．３２５Å以下に設定されている。ここで、ＴｉＣ結晶はＮａＣｌ型の結晶（立方晶系）であり、結晶中での各方位における格子定数が同じ値（すなわちａ軸の格子定数として表される値）を取る。本明細書において、ＴｉＣ相の格子定数は上記の値を指す。
ＴｉＣ相は、ＴｉＣ0.5〜ＴｉＣ1.0までの組成比を有していて良い。Ｔｉに対するＣの量が少ないほど、ＴｉＣ相の格子定数は低下する傾向にある。また、ＴｉＣ相のＣの一部をＯ（酸素）および／またはＮ（窒素）と置換することによって格子定数は低くなる。なお、化学量論比に近いＴｉＣの組成比を有する原料粉末（現実的に入手可能であるＴｉＣの原料粉末であり、Ｔｉに対するＣの原子比率が０．９５程度のもの）における格子定数は４．３２７Å〜４．３３０Å程度である。
ＡｌＴｉＣ基板におけるＴｉＣ相の格子定数を上記の範囲に設定するためには、例えば、Ｔｉに対するＣの原子比率が０．５〜０．９５程度のものを原料粉末として選択し、添加物として用いられるＴｉＯ2（またはＴｉＯｘ（ｘは０．５以上１未満）、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5など）や、ＴｉＮの量を調節することによって、焼結後におけるＴｉＣ相の格子定数を適切な範囲に設定することができる。さらに、焼結雰囲気中の酸素分圧や窒素分圧を適切に調節することによってもＴｉＣ相の格子定数を調節することができる。より具体的な例としては、粉末の混合、粉砕、乾燥や造粒時における、水や空気などからの酸素の取り込み量を増やす方法（酸素の増量）や、焼結の際の雰囲気中のＮ2分圧を１３ｋＰａ〜９０ｋＰａの範囲として窒素量を増やす方法（窒素の増量）が挙げられる。
また、ＡｌＴｉＣ基板におけるＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å〜４．３２５Åの範囲であるような場合に、ＴＰＴＲによる不具合の発生がさらに効果的に抑制されることが本発明者によって確認された。これは、ＡｌＴｉＣ基板中のＴｉＣ相において、他の元素（例えばＯやＮ）を含まないＴｉＣ結晶に近い組織構造が形成されていることによってＡｌＴｉＣ基板の熱伝導率がさらに向上するからであると考えられる。
また、ＡｌＴｉＣ基板におけるＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å〜４．３２５Åの範囲であるような場合には、ＡｌＴｉＣ基板中に生じる微細な気孔（以下、マイクロポアと呼ぶことがある）の個数を低減できることがわかった。これは、ＴｉＣ相においてＯやＮなどを含まないＴｉＣ結晶に近い組織構造が形成されている場合に比べて、ＴｉＯｘやＴｉＮなどを添加すると、上記のような範囲にＴｉＣ相の格子定数は低下するが、このとき、添加したＴｉＯｘなどにより焼結性が格段に向上し、その結果、緻密な焼結体が形成されてマイクロポアの発生が防止されたものと考えられる。なお、ＯやＮは、添加物からだけでなく、焼結雰囲気からＴｉＣ相のＣの一部と置換する形で供給されてもよく、この場合にも、焼結性を向上させることができる。
ただし、添加物や焼結雰囲気によって取り込まれるＯやＮの量が多すぎ、焼結後におけるＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Åを下回るような場合にもマイクロポアはかえって生じ易くなることがわかった。これは、ＴｉＣ相がＯやＮを取り込む際に、置換されたＣが例えばＣＯガスとして焼結工程中に排出され、この量が多い時にはガスが焼結体に残存し、これによって、マイクロポアが形成されるからであると考えられる。
このため、ＡｌＴｉＣ基板におけるＴｉＣ相中のＯやＮの含有量が一定の範囲内にあり、焼結後のＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å〜４．３２５Åの範囲に入るような場合にマイクロポアの発生が低減される。マイクロポアが少ない場合、イオンミリング等によってＡｌＴｉＣ基板の表面にＡＢＳを形成した後にも表面粗さのばらつきが少ない状態が維持されるので、使用時にパーティクルポケット（パーティクルが挟まる隙間）に異物が巻き込まれて、ＨＤＤがクラッシュする恐れが少なくなる。
また、ＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å〜４．３２５Åの範囲であるような場合に、ＴＰＴＲによる不具合の発生をさらに抑制できることが本発明者によって確認された。これは、よりリファレンスデータのＴｉＣに近い結晶構造を有していることによって、ＡｌＴｉＣ基板の熱伝導率がさらに向上し、これによって、動作時に素子から熱が逃げやすくなったためであると考えられる。
また、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å〜４．３１５Åの範囲であるような場合に、切断加工性やラップレートが向上し、工業生産性を有意に向上させ得ることが本発明者によって確認された。さらに、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å〜４．３１５Åの範囲であるような場合には、ラップ工程後のラップ加工面の平滑性がさらに向上することも確認できた。
ここで、切断加工性とは、ＡｌＴｉＣ基板を切断してチップにするときの切断加工の容易性を示している。また、切断加工性は、例えば、切断時における抵抗値が所定値に達するまでに切断可能な切断本数によって評価することができる。切断本数が高いほど、生産性が高いことを意味する。
また、ラップレートとは、ラップ機（lapping apparatus）を用いて行う研磨工程における、単位時間当たりの研磨量（μｍ／ｍｉｎ）を意味する。被加工物の加工性が良好である場合にラップレートが高くなり、生産性が向上する。
なお、比較的平滑なＡＢＳを形成可能にしながら生産性を向上させることを両立させるためには、ＴｉＣ相の格子定数を、４．３１０Å〜４．３２０Åに設定してもよく、４．３１３Å〜４．３１８Åに設定してもよい。
なお、熱伝導率および切断加工性は、焼結体におけるアルミナ相とＴｉＣ相との質量比率を所定の範囲内にすることによっても制御することができる。ただし、ラップ面平滑性やマイクロポアの発生数は、上記の焼結体中の質量比率によってもさほど変化しないことが発明者によって確認されている。
本実施形態において、ＴＰＴＲを効果的に防止しつつ切断加工性の向上も図るためには、焼結後におけるアルミナ相とＴｉＣ相との比率が適切な範囲にあればよく、このために、焼結用混合粉末の段階で、ＴｉＣ相を形成するために用いられる原料粉末（例えば、ＴｉＣ粉末およびＴｉＯ2粉末）の総量が、全体の２５〜５０質量％であり、アルミナ相を
形成するために用いられる原料粉末（例えば、アルミナ粉末）が残部であるような質量比が好ましく、ＴｉＣ相を形成するために用いられる原料粉末の総量が混合粉末全体の３５〜４５質量％であることがさらに好ましい。
また、得られたＡｌＴｉＣ基板にＡＢＳを形成するためにイオンミリング等のドライエッチングが施されるが、上記のようにＡｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下であり、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å以上４．３２５Å以下である場合には、エッチング速度の異なる相が生成されにくく、ドライエッチング後の面粗度の低下が防がれることが確認できた。
以下、本発明の実施形態によるＡｌＴｉＣ基板の製造方法を説明する。
まず、原料粉末としてのアルミナの粉末と、ＴｉＣの粉末と、ＴｉＯ2の粉末とを準備する。このとき、アルミナの粉末としては、不純物の含有量が少なく、コランダム構造のアルミナに近い状態の粉末を準備することが好ましい。このためには、例えば、含まれる不純物（例えば、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａなど）の量が１００ｐｐｍ以下で、ｃ軸の格子定数が１２．９８３Å〜１２．９９１Å程度のアルミナ粉末を用いればよい。
また、各原料粉末は、ボールミルなどを用いて、所望の平均粒子径を持つように粉砕される。アルミナ粉末、ＴｉＣ粉末、およびＴｉＯ2粉末のそれぞれの平均粒子径は、例え
ば、０．２〜０．６μｍ、０．０２〜１．０μｍ、０．０２〜０．２μｍである。なお、本明細書において、「平均粒子径」は、レーザー回折法により求められる、ｄ５０平均粒子径（累積５０％のメジアン径）を意味する。
また、粉末ごとに別個に粉砕工程を行うことなく、混合と粉砕を同時に行なってもよい。混合・粉砕工程は、ボールミルの他、振動ミル、コロイドミル、アトライター、高速ミキサー等を用いて行うことができる。
アルミナ原料粉末の平均粒子径を０．２μｍ〜０．６μｍにする理由は、０．２μｍ未満では成形性が低下し、焼結工程が適切に行えない可能性があるからである。また、０．６μｍを超えると、焼結体の緻密化が十分にならずに、強度が不足するおそれがあるからである。
また、ＴｉＣ原料粉末の平均粒子径を０．０２μｍ〜１．０μｍにする理由は、０．０２μｍ未満では成形性が低下しやすく焼結工程が適切に行えない可能性があり、１．０μｍを超えると焼結性が低下し、緻密な焼結体が得にくくなるからである。
また、ＴｉＯ2原料粉末の平均粒子径を０．０２μｍ〜０．２μｍにする理由は、０．０２μｍ未満では粉末が凝集しやすくなるからであり、０．２μｍを超えると焼結工程を促進させる作用が低下し、緻密な焼結体が得られにくくなるからである。
次に、各粉末を所定の割合で混合し、例えば湿式粉砕を行うことでスラリーを形成し、これを乾燥することによって焼結用混合粉末を得ることができる。ここで、焼結用混合粉末において、Ａｌ2Ｏ3粉末とＴｉＣ粉末とＴｉＯ2粉末との合計質量を１００質量％としたとき、Ａｌ2Ｏ3粉末の質量％は、例えば５０質量％以上７５質量％以下である。また、ＴｉＣ粉末とＴｉＯ2粉末との合計質量％は、例えば、２５質量％以上５０質量％以下である。また、ＴｉＣ粉末とＴｉＯ2粉末との合計質量を１００質量部としたとき、ＴｉＣ粉末の質量比は、例えば、７０質量部以上９７．２質量部以下であり、ＴｉＯ2粉末の質量比は、例えば、２．８質量部以上３０質量部以下である。ＴｉＯ2粉末の質量比は、例えば、１質量部以上３０質量部以下（残部はＴｉＣ粉末）である。
なお、上記のＴｉＣ粉末およびＴｉＯ2粉末以外に、焼結後にＴｉＣ相を形成するための粉末材料（例えば、ＴｉＮ粉末）を用いる場合には、ＴｉＣ相を形成するための粉末材料の合計質量が、上記のＡｌ2Ｏ3粉末との合計である１００質量％に対して、２５質量％以上５０質量％以下の範囲にあってよい。
また、上記の混合工程において、焼結助剤として用いられるＭｇＯやＹ2Ｏ3などを添加しても良い。ただし、これらの焼結助剤（添加剤）が多すぎると、図３（ｂ）に示したように焼結後のアルミナ相の格子定数が大きくなるため、本実施形態では添加量を制限することが好ましい場合がある。添加量は、例えば、添加剤以外を１００質量％とした場合に５００ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。ただし、上記のようにして準備したアルミナ粉末に含まれる不純物が少なく、アルミナ粉末における格子定数が極めて低い場合には、焼結助剤の量を上記範囲より多くしてもよい。
次に、スプレイドライヤ、圧縮造粒機、押し出し造粒機等を用いて、上記の焼結用混合粉末を顆粒にする。そして、得られた顆粒状の焼結用混合粉末を金型でプレス成形して、成形体（圧粉体）を得る。なお、上記の顆粒状の焼結用混合粉末を乾式加圧成形法や冷間等方静水圧成形法によって成形することで成形体を作製してもよい。
このようにして作製された成形体に対し、例えば、ホットプレス焼結するか、非酸化雰囲気中での常圧焼結または雰囲気加圧焼結を行うことで、焼結体としてのＡｌＴｉＣ基板を得ることができる。また、これらの工程に熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理をさらに加えてもよい。
なお、ホットプレス装置を用いる場合には、例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、真空等の雰囲気中で、１４００℃以上１８００℃以下の温度にて加圧焼結を行えばよい。焼結温度を１４００℃以上１８００℃以下に設定する理由は、１４００℃未満では十分に焼結できないおそれがあり、また、１８００℃を超えるとアルミナ結晶およびＴｉＣの結晶の粒成長が顕著になって、加工後の面粗さを低くできなくなる上に、機械的特性が大きく下がるおそれがあるからである。
このように、加圧焼結を行えば、緻密な焼結体を作製し、強度が良好なＡｌＴｉＣ基板を得ることができる。なお、上記のように加圧焼結工程を行った後に、熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）をさらに行なってもよい。例えば、ｌ５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下の圧力を加え、１３５０℃以上１７００℃以下の温度で熱間等方加圧焼結を行なうことで、抗折強度を７００ＭＰａ以上にすることができる。特に、マイクロポアを減らすために、温度１５００℃以上１７００℃以下で熱間等方加圧焼結（ＨＩＰ）を行なってもよい。
得られたＡｌＴｉＣ基板の基板面に対して、公知の薄膜堆積プロセスによって複数の素子や、絶縁膜（例えばＡｌ2Ｏ3膜）を形成する。さらに、図２（ｂ）に示すように、素子２３が形成されたＡｌＴｉＣ基板２１をダイシングソーなどを用いて棒状（ロウバー）に切断した後、切断面（素子２３形成面に対して垂直な側面）をラッピングすることによって厚さを調節するとともに平滑な面を形成する。さらに、イオンミリング法などによって、平滑化された面において空気流に適合するＡＢＳを形成し、最後にチップに切断することによってスライダを作製することができる。
なお、ＡＢＳは、イオンミリング法や反応性イオンエッチング法などのドライエッチング工程において加工条件を適宜選択することで、所望の形状に形成され得る。例えば、ＡＢＳの平均粗さＲａを２５ｎｍ以下にするためには、イオンミリング法において、加速電圧を６００Ｖに設定し、Ａｒイオンを用いて１８ｎｍ／分のミリングレートで７５〜１２５分間加工すればよく、反応性イオンエッチング法においては、ＡｒガスおよびＣＦ4ガスをそれぞれ流量３．４Ｘ１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓおよび１．７Ｘ１０-2Ｐａ・ｍ3／ｓとして混合ガスの圧力が０．４Ｐａとなる条件で加工を行えばよい。
以下、本発明の実施例および比較例を説明する。
下記の表１は、本発明の実施例の試料Ｎｏ．１〜２１および比較例の試料Ｎｏ．１０１〜１０８として、原料粉末としてのアルミナ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＯ2粉末の組成比（いずれも質量％）および焼結助剤としてのＭｇＯ粉末の量（アルミナ粉末、ＴｉＣ粉末、ＴｉＯ2粉末の合計質量を１００質量部としたときの外部質量部）が異なる試料を示す。
また、各試料について、焼結体における格子定数（アルミナ相のｃ軸の格子定数およびＴｉＣ相の格子定数）を示す。さらに、評価項目として、熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））およびラップ面平滑さ（ｎｍ）を示す。なお、ラップ面平滑さ（ｎｍ）は、ラップ工程後における加工面の平均粗さＲａ（ｎｍ）を表している。
ここで、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる場合をＴＰＴＲ特性が良好なスライダとして扱い、また、ラップ面平滑さが１．５ｎｍ以下のものを平滑性が良好なスライダとして扱うこととする。
Figure 0006563708
実施例Ｎｏ．１〜２１および比較例Ｎｏ．１０１〜１０８において、アルミナ原料粉末としては、コランダム型のαアルミナに近いものが利用されており、そのｃ軸の格子定数が１２．９８３Åであった。このような格子定数を有するアルミナ原料粉末は、不純物としてのＮａ、Ｍｇ、Ｃａなどを１０ｐｐｍ以下含むものであってよい。ただし、表１に示すように焼結助剤として添加するＭｇＯの添加量に応じて、焼結体（ＡｌＴｉＣ基板）におけるアルミナ相の格子定数は変化する。
なお、各種組成の試料における格子定数は、次の方法で測定した。即ち、各試料より３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさの試験片を１０枚切り出し、切り出した各試料にＣｕターゲットのＫ特性Ｘ線を管電圧４５ｋＶ、管電流４０ｍＡで照射し、回折角２θ＝２０°〜８０°の範囲で、ステップサイズ０．０１７°、スキャンスピード０．４２°／ｓｅｃでスキャンして得られたＸ線回折パターンをＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ社製Ｘ'Ｐｅｒｔ Ｈｉｇｈ Ｓｃｏｒｅ Ｐｌｕｓのリートベルト解析プログラムを用いることにより、Ａｌ2Ｏ3相およびＴｉＣ相の格子定数を求める。必要に応じて、得られたＸ線回折パターンに対して、Ｋα分離、バックグラウンド除去、スムージングなどのデータ処理を施しても良い。この手法により、切り出したそれぞれの試験片の任意の１０箇所で測定を行ない、１０枚×１０箇所の平均値を算出して各試料の格子定数値とした。
図４は、各試料についてのアルミナ相のｃ軸の格子定数とＴｉＣ相の格子定数との分布を示している。なお、図４において、横軸はアルミナ相のｃ軸の格子定数であり、縦軸はＴｉＣ相の格子定数である。
表１および図４からわかるように、アルミナ相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下の範囲内にあり、かつ、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å以上４．３２５Å以下の範囲内にある試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１の実施例において、熱伝導率およびラップ面平滑性の双方が良好であることが確認された。また、表１には示していないが、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１では、焼結体においてアルミナ相およびＴｉＣ相以外のエッチング速度の異なる相（第３の相）が生成されておらず、ＡＢＳ形成のためのドライエッチング後にも面粗度の低下が防止されることが確認できた。
また、特にＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å〜４．３２５Åの範囲内にある試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、Ｎｏ．１０、Ｎｏ．１８〜Ｎｏ．２０においては、熱伝導率が２５Ｗ／（ｍ・ Ｋ）以上と特に高くなっており、ＴＰＴＲによる不具合の発生が効果的に抑止され得ることが確認できた。なお、上記の実施例には示していないが、ＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Åであり、かつ、アルミナのｃ軸の格子定数が１２．９８５Å〜１２．９８９Åの範囲にあるときに、熱伝導率が２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であった。
また、表１からわかるように、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å〜４．３１５Åの範囲内にある試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４、Ｎｏ．７〜Ｎｏ．９、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１６、Ｎｏ．２１では、熱伝導率が良好であるとともに、ラップ面平滑さ（平均粗さＲａ）が１．１ｎｍ以下となり、非常に平滑な面が得られることが確認されている。また、表１には示していないが、ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å〜４．３１５Åの範囲内（特に４．３０６Å以下）にある試料では、切断加工性が２８本以上（ここではダイシングソーを用いた切断工程において、切断抵抗が抵抗値０．４ｋＷに達するまでの切断本数）という高いものになることがわかった。このように切断加工性が高いものを用いれば、生産性を向上させることができる。
なお、比較例の試料Ｎｏ．１０２およびＮｏ．１０４については、ラップ面平滑性が良好であったものの、熱伝導率が低くＴＰＴＲ特性が良好とは言えなかった。加えて、比較例の試料Ｎｏ．１０２およびＮｏ．１０４では、ＡＢＳを形成するためのドライエッチング工程後において、面粗度が著しく低下することが確認された。
これは、ＴｉＣ相の格子定数が低すぎる場合、焼結体においてエッチング速度の異なる第３の相（例えば、Ａｌ2ＴｉＯ5相）が形成されたからであると考えられる。このため、表１には示していないが、実施例Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２１の場合とは異なり、比較例Ｎｏ．１０２およびＮｏ．１０４では、十分なＡＢＳ面の平滑性が得られず、スライダとしての使用に適したものとならないことが確認されている。
以上、本発明の実施形態による薄膜磁気ヘッド用基板について説明したが、上記の磁気ヘッド用基板を用いて作製された磁気ヘッドスライダを利用して、公知の方法によってハードディスクドライブ装置を作製することができる。
図５に示すように、本発明の実施形態によるハードディスクドライブ装置１００は、例えば、上記に説明した構成を有する磁気ヘッドスライダ２と、磁気ディスク（プラッタ）４と、磁気ディスク４を回転させるモータ６と、磁気ディスク４に対する磁気ヘッドスライダ２の位置決めや磁気ヘッドスライダ２による書き込み／読み出し動作などを制御する制御装置８などを備える。制御装置８は、外部からの読み書き信号に応じて、ヘッドスライダ２をプラッタ４上の特定の位置に移動させるように構成されていてよい。このハードディスクドライブ装置において、書き込み／読み出し動作中における磁気ヘッドスライダとプラッタとの間隙を非常に狭い状態で精密に維持することが可能になり、また、ＴＰＴＲによる不具合の発生も防止されるので、高記録密度での記録を実現することができる。
本発明の実施形態によるＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板は、高記録密度を実現するハードディスクドライブにおいて好適に用いられる。
２ 磁気ヘッドスライダ
４ プラッタ
６ モータ
８ 制御装置
１０ 薄膜磁気ヘッドスライダアセンブリ
１１ 基部
１２、２３ 素子
１３ ディスク
１４ ジンバル
２０ 薄膜磁気ヘッドスライダ
２１ ＡｌＴｉＣ基板
２２、２４ Ａｌ2Ｏ3膜
２５ ＡＢＳ形成面
１００ ハードディスクドライブ装置

Claims (8)

  1. Ａｌ2Ｏ3相とＴｉＣ相とを含むＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板であって、
    前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８５Å以上１２．９９２Å以下であり、かつ、前記ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å以上４．３２５Å以下である、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  2. 前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９９１Å以下である、請求項１に記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  3. 前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９９０Å以下である、請求項２に記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  4. 前記Ａｌ2Ｏ3相のｃ軸の格子定数が１２．９８９Å以上である、請求項１から３のいずれかに記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  5. 前記ＴｉＣ相の格子定数が４．３１８Å以上４．３２５Å以下である、請求項１から４のいずれかに記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  6. 前記ＴｉＣ相の格子定数が４．２９７Å以上４．３１５Å以下である、請求項１から４のいずれかに記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板。
  7. 請求項１から６のいずれかに記載のＡｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系薄膜磁気ヘッド用基板を用いた磁気ヘッドスライダ。
  8. 請求項７に記載の磁気ヘッドスライダを備えたハードディスクドライブ装置。
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