KR100281619B1 - 플루오르화 다이아몬드형 카본 보호 코팅 - Google Patents

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Abstract

플루오르 다이아몬드형 카본으로 형성되며 플라즈마 인핸스드 화학 기상 증착 공정 또는 다른 적절한 방법으로 증착되어 우수한 마찰 감소 특성과 스틱션 감소 특성을 제공하는 본 발명에 따른 자기 기록매체 디바이스 표면용 내마모 보호 코팅이 제공된다.

Description

플루오르화 다이아몬드형 카본 보호 코팅
제1도는 본 발명의 내마모 플루오르화 다이아몬드형 카본(Fluorinated Diamond-Like Carbon:FDLC) 코팅층으로 덮혀진 기록 디바이스의 상부층의 개략 확대 단면도.
제2도는 본 발명의 내마모 DLC 의 중간층과 FDLC 의 상부층으로 덮혀진 기록디바이스의 상부층의 개략 확대 단면도.
제3도는 본 발명의 FDLC 또는 DLC/FDLC 보호 코팅으로 덮혀진 자기 디스크의 상부층의 개략 확대 단면도.
제4도는 본 발명의 FDLC 또는 DLC/FDLC 코팅층으로 보호된 지지 물질과 판독 또는 기록 헤드의 활성 자기층의 개략 확대 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
12 : 자기 매체 디바이스 14 : FDLC 층
24 : DLC 층 32 : 디스크 기판
34 : 자기층 36 : 보호 코팅
[발명 분야]
본 발명은 일반적으로 자기 디스크 및 자기 헤드등의 박막 자기 기록매체 디바이스에 관한 것으로서, 특히 향상된 내마모성, 저마찰률, 저스틱션(stiction)의 보호 코팅이 도포된 박막 자기 기록매체 디바이스와 상기 보호 코팅을 자기 기록 매체 디바이스에 도포하기 위한 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
박막 자기 기록매체 디바이스를 설계하는데 있어서 내구성과 신뢰성을 갖도록 디바이스의 최상부 표면에 보호 코팅을 설치하는 것이 중요하다. 수소화(hydrogenated) 다이아몬드형 카본(diamond-like carbon: DLC)은 비교적 저마모율의 단단한 내마모성 물질이며, 박막 자기 디스크 및 자기 기록 헤드 등의 자기 기록매체 디바이스에서 보호 코팅으로 이용되고 있다.
일례로서, 미국 특허 제4,647,494 호와 미국 특허 제5,159,508 호는 자기 기록 디스크와 자기 헤드 슬라이더상의 수소화 카본피막의 얇은 층의 코팅을 각각 개시하고 있다. 그러나 상기 두 특허에 개시된 방법에 의하면 수소화 카본의 최종 코팅을 도포하기 전에 기판위에 부가적인 부착 촉진제층(adhesion promoter layer)을 도포하여야 한다. 이처럼, 상기 두 특허는 2 단계의 증착 공정을 기술하고 있다. 이들 디바이스의 트라이볼로지 성능(tribological performance)을 향상하려면 보호 DLC 코팅의 표면상에 액체 윤활제를 사용하여야 한다. 기록 밀도의 증대를 위해 헤드와 디스크간 거리를 단축시킨 근래의 기록 디바이스에 있어서, 여분의 윤활제층은 제거되는 것이 바람직하다. 또한, 스틱션(stiction)의 증대를 야기할 수 있는 메니스커스 형성(meniscus formation)과 모세관 작용(capillary force)을 없애기 위해서는 액체 윤활제를 제거하는 것이 바람직하다. 자기 디스크 표면에 액체 윤활제를 도포하려면 몇개의 처리 단계를 거쳐야 한다. 따라서 이러한 처리 단계를 제거하면 디스크의 제조 비용이 절감되게된다.
액체 윤활제의 필요성을 없애기 위한 한가지 방법은 DLC 코팅의 마찰계수를 더 감소시키는 것이다. 이 방법은 제이. 트라이볼로지 학회지, 미국 기계학회(J. Tribol. Trans, ASME) 113(1991년) 384 에서 Miyake 등에 의해 개시되고 있다. 약 1 미크론 두께의 실리콘 함유 카본 피막을 전자 사이클로트론 공진 증착(electron cyclotron resonance deposition)법에 의해 증착한 다음, 시험 표면(specimen surface)을 CF4플라즈마에 노출시켜 플루오르 처리하고 있다. DLC 의 표면 플루오르화에 의해 DLC 피막의 미세 마모 및 마찰이 감소됨을 보여주고 있다. 플루오르화 공정은 DLC 피막을 증착한 다음에 행해지므로, 플루오르화는 코팅의 최상부층에 제한된다. 코팅의 마모로 플루오르화층이 제거됨에 따라 비교적 짧은 마모 시간이 지난 후 플루오르화층의 윤활유의 이점은 소실되어 버린다. 내마모성을 유지하도록 보호층 두께 전체가 플루오르화되면 플루오르화의 이점이 확장될 수 있다.
플루오르화 DLC 피막은 다른 사람들에 의해 이전에 마련되었다. 예를 들어 Seth 등의, Thin Solid Films, 230 (1993년) 90 에서의 보고에 따르면, 피막들이 고(high) 플루오르 성분이면, 피막이 상대적으로 성긴 구조(a comparatively open structure of the film)가 되어 밀도의 조밀도가 떨어지고, 피막들은 극단적으로는 연질(soft) 상태가 되어 내마모성을 가지지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 자기 기록매체 디바이스에 다른 종래의 보호 코팅의 단점을 가지지 않는 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 자기 기록매체 디바이스에 적절한 내마모성을 제공하기 위해 플루오를 DLC 보호 코팅의 표면상에서 부가의 액체 윤활제를 사용하지 않는 자기 기록매체 디바이스의 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 자기 기록매체 디바이스의 내마모 특성이 최상부층의 마모로 저하되지 않도록 그의 전체 코팅 두께에 걸쳐 우수한 내마모성을 가지는 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 자기 기록매체 디바이스에 중간의 부착 촉진제층이 없이 디바이스의 최상부 표면에 직접 도포 가능한 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 자기 기록매체 디바이스에 우수한 내마모성과 감소된 스틱션 특성을 가지는 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 자기 기록매체 디바이스에 250℃ 이하의 온도에서 플라즈마 인핸스드 화학 기상 증착 챔버(plasma enhanced chemical vapor deposition chamber)에서 증착가능한 플루오르화 DLC 보호 코팅을 제공하는 것이다.
[발명의 개요]
본 발명에 따라, 다이아몬형 카본피막을 증착하는데 사용되는 자기 기록매체의 증착 방법으로 도포가능한 자기 기록매체 디바이스의 플루오르화 다이아몬형 카본 보호 코팅이 제공된다.
양호한 실시예에 있어서, 자기 기록 디스크 또는 헤드는 내마모성과 저마찰률과, 저 스틱션 특성을 제공하는 플루오르화 다이아몬형 카본(FDLC)의 하드 코팅으로 피복된다. FDLC 피막은 역바이어스된 기판 상에서 플라즈마 인핸스드 화학 기상 증착법(PECVD)에 의해서 플루오르화 탄화수소와 수소와의 혼합물, 바람직하게는 헥사플루오르벤젠(C6F6) 또는 펜타플루오르벤젠(C6HF5)과 같이 분자 내에 불소 대 탄소의 비율이 높은 물질로부터 준비된다. 우수한 내마모성을 가진 플루오르 카본 피막은 반응체 가스 혼합물과, 플라즈마 파라미터와, 기판의 바이어스 전압을 적절히 조절함으로써 얻어진다. 두께 전체를 통해 카본피막이 플루오르화되므로, 마모에 의해 표면층이 제거되어도 보호피막의 조성 및 트라이볼로지 특성이 변화되지 않는다.
대안의 실시예에 있어서, FDLC 피막은 비플루오르화 다이아몬형 카본(DLC)의 얇은 중간층과 결합하여 증착된다. 예를들면, DLC 층의 두께는 약 4nm 로, 6nm 두께의 상부 FDLC 층과 결합된다.
본 발명은 또한 플라즈마 인핸스드 기상 증착 방법으로 자기 기록매체 디바이스상에 플루오르화 다이아몬드형 카본 보호 코팅 또는 2 단계 DLC/FDLC 코팅을 증착하는 방법에 관한 것이다.
[양호한 실시예 및 기타 실시예의 상세한 설명]
본 발명은 자기 기록 매체 디바이스에 플라즈마 인핸스드 화학 기상 증착 방법으로 증착 가능한 플루오르화 다이아몬드형 카본 보호 코팅을 제공한다.
자기 기록 디바이스의 표면이 코팅을 위해 우선 준비된 후, 자기 기록 매체 디바이스는 패러랠 플레이트(평행 평판) 프라즈마 반응기로 적재되고 전극들중 하나의 전극이 되도록 전기적으로 연결된다. 반응기가 사전 설정된 부압(a preset negative pressure)으로 펌프된 후, 플루오르 탄화수소 증기와 수소의 적절한 반응 가스의 혼합물이 반응기로 유입되어, 반응기내의 압력은 30mTorr 및 300mTorr 사이의 범위내에서 원하는 값으로 조절된다. 이때 DC 또는 RF 파워가 플라즈마에 고열을 가하기 위해 반응기의 전극에 인가되며 그 결과 코팅될 자기 기록 매체 디바이스는 반응기의 접지 또는 다른 부분에 대해서 상대적으로 역바이어스 된다. 원하는 코팅 두께가 얻어질 때까지 자기 기록 디바이스는 플라즈마에 놓여진다. 바람직한 코팅 두께는 3nm 와 30nm 사이의 범위이다.
제1도는 내마모 FDLC 보호층(14)으로 덮힌 기록 디바이스(10)의 상부층(12)의 개략 확대 단면도이다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어, 단일 FDLC 층(14)의 두께는 약 10nm 이다. 이 피막의 두께는 0.8sccm 유속의 C6F6와 16sccm 유속의 H2의 반응체 가스 혼합물로 증착된다. 반응간 챔버 압력은 100mTorr 로 유지되고 플라즈마는 전압 제어하에서 동작하는 DC 전원으로 지속된다. 기록 디바이스는 -800V DC 의 바이어스 전압에 접속된다. 피막에서, F/(F+C)의 원자 비는 2원자 퍼센트와 70원자 퍼센트 사이이며, 10원자 퍼센트와 40원자 퍼센트 사이에 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 대안의 실시예가 제2도에 도시된다. 기록 디바이스(20)의 개략 확대된 상부층(22)의 단면은 내마모 FDLC 의 상부층(26)과 내마모 DLC 의 중간층(24)으로 코팅된다. 이 실시예에서 DLC 층(24)의 두께는 약 4nm 이며, 약 6nm 두께의 FDLC 층(26)과 결합된다. 대안의 보호 코팅층 구조에 있어서, 적절한 DLC 층의 두께는 약 2nm 내지 10nm 사이의 범위이며, 적절한 상부 FDLC 층의 두께는 3nm 내지 30nm 사이의 범위이다. DLC 의 중간층(24)은 FDLC 층을 증착하는데 사용된 조건과 유사한 조건으로 증착 가능하나 가스 혼합물을 10sccm 의 시클로헥산 (C6H12)으로 대체하여야 가능하다.
제3도는 자기층(34)과 이어서 본 발명의 FDLC 층(36) 으로 코팅된 디스크 기판(32)을 가진 자기 기록 디스크(30)의 개략 확대 단면도이다. 제4도는 본 발명의 FDLC 보호 코팅층 (46)으로 덮혀진 엑티브 판독 또는 기록 디바이스(44)를 포함하는 지지부(42)를 가진 자기 기록 헤드(40)의 개략 확대 단면도이다.
또다른 FDLC 피막의 증착예에 있어서, 증착 공정은 0.8sccm 유속의 C6F6와 16sccm 유속의 H2의 반응체 가스 혼합물을 이용하여 행해진다. 챔버 압력은 반응하는 동안에 30mTorr 로 유지되며, 약 -350V DC 의 바이어스 전압이 얻어지도록 50 와트의 RF 파워가 코팅될 자기 기록 디바이스를 고정하는 전극에 인가된다. DLC 코팅은 가스 혼합물을 10sccm 의 시클로헥산(C6H12)으로 대체함으로써 유사한 조건하에서 층착가능하다.
모든 실시예에서 사용된 증착 온도는 250℃ 이하로 유지된다. 이러한 증착 조건하에서 70nm/min 까지의 증착 속도가 얻어진다.
보호 피막은 핀-온-디스크 트라이보테스터(a pin-on-disk tribotester)의 스틸볼에 대한 마모가 테스트된다. 테스트를 통해 FDLC 피막의 내마모성은 비플루오르 DLC 피막의 것과 유사함을 발견하였다. 카본의 마모로 얻어진 약 0.07nm/1,000 회전의 마모율과 비교하여 예를들면, 11gm 의 부하에서 직경 0.8cm 의 410C 볼베어링 스틸로 만들어진 핀을 이용하면 깊이 마모율(depth wear rate)은 0.07 내지 0.5nm/1,000회전이다. 그러나, FDLC 피막의 스틱션 특성은 DLC 피막의 스틱션 특성과 비교하여 저하된다. 즉, 비플루오르 DLC 의 스틱션 특성의 약 30% 이다.
본 발명을 실시예를 들어 설명하였지만 본 발명은 사용된 술어에 제한되지 않음을 이해해야 할 것이다.
또한, 본 발명이 양호한 실시예 및 대안의 실시예를 통해 설명되었지만 당업자라면 본 발명의 교시를 본 발명의 다른 가능한 변형에 용이하게 적용할 수 있을 것이다. 예를 들면, DLC 및 FDLC 피막의 다른 구조가 사용가능하며 본 발명의 동일결과를 성취하면서 피막을 증착하기 위한 다른 코팅 방법이 사용가능하다.

Claims (21)

  1. 0 원자 퍼센트와 40 원자 퍼센트 사이의 수소를 함유하고, F/(F+C)의 원자비는 2 내지 70 원자 퍼센트 사이에 있으며 플루오르가 층전체에 균일하게 분포되어 있고 두께가 3nm 내지 30nm사이인 내마모성 및 감소된 스틱션(reduced stiction)의 플루오르화 다이아몬드형 카본 피막(fluorinated diamond-like carbon(FDLC) film)을 최상부 보호층으로서 가진 자기 기록매체 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 FDLC 피막은 보호될 표면 위에 직접 증착되는 자기 기록 매체 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 FDLC 피막과 보호될 표면 사이에 중간 다이아몬형 카본 피막(DLC)이 증착되는 자기 기록 매체 디바이스.
  4. 자기 기록 매체 디바이스에 있어서,
    ① 상부 표면에 코팅된 자기물질을 가진 지지 구조체와,
    ② 상기 자기 물질의 최상부 표면을 덮는 플루오르화 다이아몬드형 카본 물질(fluorinated diamond-like carbon material)의 보호 코팅-상기 플루오르화 다이아몬드형 카본 물질의 보호 코팅은 0 원자 퍼센트와 40 원자 퍼센트 사이의 수소를 함유하고, F/(F+C)의 원자비는 2 내지 70 원자 퍼센트 사이에 있으며 플루오르가 층전체에 균일하게 분포되어 있고 두께가 3nm 내지 30nm 사이임-을 포함하는 자기 기록 매체 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 FDLC 피막과 상기 자기 물질의 최상부 표면 사이에 중간 다이아몬드형 카본피막이 증착되는 자기 기록 매체 디바이스.
  6. 자기 기록 매체 디바이스의 제조방법에 있어서,
    ① 정보 또는 판독 및 기록 정보를 저장할 수 있는 자기 활성물질을 지지 구조체상에 증착하는 단계와,
    ② 상기 자기 활성물질의 최상부 표면상에 플루오르화 다이아몬드형 카본피막의 보호 코팅을 증착하는 단계를 포함하는 자기 기록 매체 디바이스의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 자기 활성물질의 최상부 표면상에 중간 DLC 피막을 증착한 다음에 상기 DLC 피막의 상부에 FDLC 피막을 증착하는 단계를 더 포함하는 자기 기록 매체 디바이스의 제조방법.
  8. 표면 상에 코팅된 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본 피막을 갖는 디바이스로서, 상기 피막은 10 원자 퍼센트와 약 70 원자 퍼센트 사이의 플루오르 및 0 내지 40 원자 퍼센트 사이의 원자 농도의 수소를 함유하고 F/(F+C)의 원자비는 약 2 내지 70 원자 퍼센트 사이에 있으며 플루오르가 층전체에 균일하게 분포되어 있고 두께가 3nm 내지 30nm사이인 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 카본 피막은 300MPa 의 초기 부하하에서 410C 볼베어링 스틸로 제조된 핀에 의해서 핀온 디스크 트라이보테스트 (a pin-on-disk tribotester)로 테스트될 때 많아야 70nm/1000회전의 마모율을 갖는 디바이스.
  10. 제8항에 있어서, 상기 카본 피막은 바람직하게는 많아야 1nm/1000회전의 마모율을 갖는 디바이스.
  11. 제9항에 있어서, 상기 카본 피막은 감소된 습윤성(wettability)을 갖는 디바이스.
  12. 수소 함유 헥사플루오르벤젠과 수소함유 펜타플루오르 벤젠으로 이루어진 그룹(군)에서 선택된 반응체 혼합물을 이용하는 이온 조성증착법(a ion assisted deposition technique)으로 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본피막을 제조하는 방법.
  13. 수소 함유 헥사플루오르벤젠과 수소함유 펜타플루오르 벤젠으로 이루어진 그룹(군)에서 선택된 반응체 혼합물을 이용하는 이온 조성증착법(a ion assisted deposition technique)으로 플루오르화 다이아몬드형 카본 피막을 제조하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 기판을 부(negative) 바이어스에 노출시키는 단계를 더 포함하는 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본피막 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 이온 조성 증착법은 플라즈마 조성 화학 기상 증착법(a plasma assited chemical vapor deposition technique)인 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본피막 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 카본피막은 비플루오르화 다이아몬드형 카본피막의 층상에 증착되는 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본피막 제조 방법.
  17. 피막의 전체 표면 두께에 걸쳐서 약 10 원자 퍼센트와 70 원자 퍼센트 사이의 플루오르 및 약 0 내지 40 원자 퍼센트 사이의 원자 농도의 수소를 함유하고 F/(F+C)의 원자비는 약 2 내지 70 원자 퍼센트 사이에 있으며 플루오르가 층전체에 균일하게 분포되어 있고 두께가 3nm 내지 30nm 사이인 플루오르화 다이아몬드형 카본피막.
  18. 제8항에 있어서, 상기 카본 피막은 상기 디바이스의 표면상에 코팅된 비플루오르 다이아몬드형 카본피막의 층상에 증착되는 디바이스.
  19. 10 원자 퍼센트와 70 원자 퍼센트 사이의 플루오르를 함유하는 내마모성 플루오르화 다이아몬드형 카본피막을 보호 코팅으로 사용하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 카본 피막은 감소된 스틱션 코팅으로서 사용되는 방법.
  21. 상기 카본 피막은 비플루오르화 다이아몬드형 카본피막의 층상에 증착되는 방법.
KR1019950024801A 1994-11-02 1995-08-09 플루오르화 다이아몬드형 카본 보호 코팅 KR100281619B1 (ko)

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