KR100563376B1 - 박막자기헤드용기판및이를이용한박막자기헤드 - Google Patents

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Abstract

방열성, 절연성이 우수하고, 표면이 아주 매끄러운 박막자기헤드용 기판을 얻기 위하여, 세라믹스 또는 단결정체로 이루어진 기판 위에, 상온에서의 열전도율이 45W/m·K 이상이고, 체적고유저항 108Ω·cm 이상이며, 두께가 10-1500Å인 고열전도절연막을 구비한 박막자기헤드용 기판.

Description

박막자기헤드용 기판 및 이를 이용한 박막자기헤드{Substrate for thin film magnetic head and thin film magnetic head using it}
본 발명은 컴퓨터의 기록 장치인 하드디스크 드라이브, 테이프 드라이브 등에 사용될 수 있는 박막자기헤드용 기판 및 이를 이용한 박막자기헤드에 관한 것이다.
종래의 박막자기헤드용 기판으로서는, Al2O3와 TiC를 주성분으로 하는 세라믹스로 이루어진 기판 위에, 기저층으로서 비정질 알루미나막을 스퍼터링법에 의해 형성하고, 그 표면을 편면 연마 기계에 의해 거울면으로 가공한 것을 사용하였다. 그리고, 상기의 기저막 위에는, 자성막에 의해 소자를 형성하여 자기헤드를 구성하도록 하였다.
상기 비정질 알루미나막으로 이루어진 기저막은, 전도 물질인 Al2O3-TiC 세라믹스 기판에 절연작용을 형성함과 동시에 매끄러운 표면을 얻기 위해 필요하다. 특히, 기저막 위에는, 자성막으로 소자를 형성하기 때문에, 더욱 매끄러운 표면이 요구된다. 이를 위하여, CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등으로 연마 가공하는 것이 점점 일반적으로 되고 있다.
최근에, 기록밀도를 향상시키기 위해, 자기저항 효과를 이용한 MR(Magnetroresistive) 혹은 GMR(Giant MR)이 도입되고 있다. 그리고 MR 혹은 GMR소자의 독해 감도를 향상시키기 위해, 센스 전류밀도를 증대시키는 것이 필요하게 되고, 그 결과 소자의 주변이 발열하기 쉽다는 결점이 있다.
또한 최근에 하드디스크 드라이브용 MR 및 GMR헤드의 경우에는, 헤드의 부상(floating up)량이 약 1마이크로인치 정도로 작거나 거의 접할 정도로 가까워지고 있다. 이러한 이유로 자기헤드와 미디어가 접촉하에 미끄러져 움직이기 쉽고, 이때 생긴 마찰열로부터 박막자기헤드의 MR 소자부분의 온도 변화가 생기고, 그에 의해 감도의 변화가 초래된다. 그러한 열 아스퍼리티(asperity) 현상도 중대한 문제가 되고 있다.
따라서, 박막자기헤드의 소자 주변에서의 방열성을 향상시키는 것이 요구되고 있지만, 종래의 박막자기헤드용 기판에서는 그러한 요구를 충족시키는 것이 불가능하여 왔다.
위에서 나타나듯이, 본 발명은 세라믹스 또는 단결정체로부터 만들어지는 기판 위에, 상온에서 열전도율이 45W/m·cm 이상이고 체적 고유 저항이 108Ω·cm 이며 두께가 10-1500Å인 고열전도 절연막을 설비함으로써 박막자기헤드용 기판을 구성한 것을 특징으로 한다.
즉, 기판 위에 고열전도절연막을 설비하는 것에 의해, 소자 주변의 방열성을 향상시켜 상기 문제점을 해결하도록 한 것이다.
또한 본 발명은, Al2O3-TiC 계 세라믹스로부터 이루어지는 기판위에 비정질 알루미나 같은 기저막을 형성하여 그 기저막위에, AlN, BN, 다이아몬드 라이크 카본, 비정질 탄소 중 한가지 이상으로 이루어지는 두께 10-1500Å의 고열전도절연막을 설비한 박막 자기헤드용 기판을 구성한 것을 특징으로 한다.
만약 Al2O3-TiC 계 세라믹스 기판 위에 직접 고열전도 절연막을 형성하면, 그 막은 전기적인 압력 저항과 연마대(polishing margin)를 얻기 위해 2μm 이상의 두께를 가질것이 요구되며, 이는 기판의 변형과 박리 등을 야기하기 쉽다. 그래서, 미리 Al2O3-TiC계 세라믹스 기판 위에 비정질 알루미나 등의 기저막을 형성하여 표면에 절연성과 매끄러움을 제공함으로써, 그 위에 형성되는 고열전도절연막은 10∼1500Å로 얇게 형성하는 것이 가능하고 밀착강도를 높일 수 있다.
더욱이 본 발명은, 단결정체로부터 이루어지는 기판 위에, AlN, BN, DLC(다이아몬드 라이크 카본), 비정질탄소 중 하나이상으로 이루어지는 두께 10-1500Å의 고열전도절연막을 설비하여 박막자기 헤드용 기판을 구성한 것을 특징으로 한다.
즉, 기판으로서 단결정 사파이어, 단결정 MgO 등의 단결정체를 사용하면, 절연성을 가짐과 동시에 그 표면을 아주 매끄럽게 할 수 있으므로, 그 표면에 직접 고열전도 절연막을 10∼1500Å로 얇게 형성하는 것이 가능하고 밀착강도를 높일 수 있다.
또한 본 발명은, 상술한 각 박막자기헤드용 기판의 고열전도절연막의 표면이, AFM(Atomic Force Microscopy)으로 측정되는 표면의 조도(粗度)(Ra)가 10Å 이하인 것을 특징으로 한다.
즉, 표면을 표면 조도(Ra) 10Å 이하인 매우 매끄러운 면으로 만듦으로써, 상기의 자기막을 고도로 정밀하게 형성할 수 있도록 한 것이다.
더욱이 본 발명은, 상기 박막자기헤드용 기판의 고열전도절연막 위에 자성막을 형성하여 자기헤드를 구성한 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시형태를 도면에 의해 설명한다.
본 발명의 박막자기 헤드용 기판(1)은, 도 1a에 도시된 것처럼 오리엔테이션 플랫을 갖는 직경 2∼6인치 원반형 또는 도 1b에 도시된 것처럼 모서리가 3-8인치인 정사각판형이다.
또, 그 박막자기헤드용 기판(1)은, 단면을 도 2a에 도시한 것처럼 Al2O3-TiC계 세라믹스로 이루어진 기판(10)의 표면에 비정질알루미나 등의 기저막(12)을 형성하고, 이 표면을 매끄럽게 연마한 후, 고열전도절연막(11)을 형성한 것이다.
그리고, 상기 고열전도절연막(11)의 표면(11a)은 매우 매끄러운 면으로 만들어질 수 있으며, 그 위에 자성막을 형성하여 박막자기헤드를 만드는 것이 가능하다. 이 때, 고열전도절연막(11)의 존재로부터 소자주변의 방열성을 높일 수 있으며, 따라서 MR 헤드 및 GMR 헤드를 사용한 경우에도 적절하게 사용하는 것이 가능하다.
상기 기판(10)을 형성하는 Al2O3-TiC계 세라믹스로는, 60-80%의 Al2O3 와 40-20% 의 TiC를 주성분으로 하여 만들어지고, 대기 혹은 환원 분위기(reduced atmosphere)중에서 1600-1800℃로 핫프레스 혹은 HIP 처리를 하여 얻어진 세라믹스가 있다. Al2O3-TiC계 세라믹스는 매우 섬세한 소결체일 수 있으며, 표면을 부드럽게 할 수 있다.
또한, 상기 Al2O3-TiC계 세라믹스는 전도물질이지만, 기판(10)위에 비정질알루미나 등의 기저막(12)을 형성하는 것에 의해 절연성을 가지게 됨과 동시에, 이 기저막(12)위를 연마하여 매끄러운 면으로 만드는 것이 가능하다. 이 기저막(12)은 스퍼터링법에 의해 형성하고, 그 두께는 1∼10μm의 범위로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시형태는, 도 2b에 도시된 것처럼 기판(10)을 단결정 사파이어 혹은 단결정 MgO 등의 단결정체로 형성하고 그 표면에 고열전도절연막(11)을 형성하는 것도 가능하다. 단결정 사파이어는 Al2O3의 단결정체이며, 용융 Al2O3 으로부터 종자결정을 끌어올리는 EFG법(Edge-defined Film Growth)등으로 제조되는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 기판(10)으로서 단결정체를 이용하면, 기판(10) 자체가 절연체이고 게다가 표면을 아주 매끄럽게 연마하는 것이 가능하므로, 도 1a와 같은 기저막을 형성할 필요 없이 직접 고열전도절연막(11)을 형성하는 것이 가능하다.
또한 상기 도 2a 및 도 2b의 실시형태에 있어서, 기저막(12) 또는 단결정체의 기판(10)의 표면은 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의해 연마하여 그 표면이 AFM으로 측정한 표면 조도(Ra)가 1Å 이하로 되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기와 같이 매끈하게 연마된 표면위에 고열전도 절연막(11)을 형성한다. 고열전도절연막(11)으로서는, 상온에서 열전도율이 45 W/m·K 이상이고 체적 고유저항이 108Ω·cm 이상인 것을 사용한다. 이는 상온에서의 열전도율이 45 W/m·K 미만이면 소자 주변의 방열성을 향상시키는 효과가 빈약하고, 또 체적 고유 저항이 108Ω·cm 미만이면 절연성이 낮아서 소자에 악영향을 미치기 때문이다.
또한, 고열전도절연막(11)의 두께는 10∼1500Å으로 한다. 이는 10Å 미만으로는 소자 주변의 방열성을 향상시키는 효과가 빈약하고 반면에 1500Å을 초과하면 막이 박리되기 쉽기 때문이다.
이와같은 고열전도절연막(11)의 구체적인 재질로서는, 표 1에 나타낸 것과 같이 AlN, BN, 다이아몬드 라이크 카본(diamond like carbon: 이하 DLC라 지칭한다), 및 비정질 탄소중 한 종류 이상을 이용하는 것이 바람직하다.
조 성 열 전도율(W/m·K) R.T.에서의 체적고유저항(Ω·cm)
본발명 AlNBNDLC비정질 탄소 ＞10050＞200＞200 101410141091010
비교예 알루미나SiC 4042 ＞1014103∼104
또한 고열전도절연막(11)의 형성에 있어서는, ECR 플라즈마 스퍼터링과 같이 높은 막충전율을 얻을 수 있는 방법을 사용한다. 이들 고열전도기저막(11)을 형성하는 데에 사용되는 타겟 물질은, 만약 산화물계 불순물이 함유되면 막형성 후의 막 품질이 나빠지고, 필요한 열전도를 얻기 힘들며, 막 표면에 결함이 생기기 쉽다. 이러한 이유로 99% 이상의 고순도 타겟물질은 이용하는 것이 바람직하다.
더욱이, 고열전도절연막(11)의 밀착강도를 높이는 방법으로서, 기저막(12) 또는 단결정체로 이루어지는 기판(10)의 위에, 두께 수십 Å의 Si, Si2N3 등의 완충막을 스퍼터링법 등으로써 개재시킬 수도 있다.
또는, 이상과 같은 박막자기 헤드용 기판(1)의 고열전도절연막(11)위에 도 3에 도시된 것 같은 자성막(13)을 형성하여 박막자기 헤드(2)를 제조하는 것이 가능하다.
실시예
기판(10)을 이루는 Al2O3-TiC계 세라믹스는, 출발원료로서 순도 99.9%의 Al2O3 분말과 순도 99.5%의 TiC 분말을 사용하고, 이들을 Al2O3 70중량%, TiC 30중량%가 되도록 무게를 달아서, 그 중에 TiC에 대해 약 10중량%의 TiO2 를 첨가한 후, Al2O3 볼(ball)로써 혼합한다. 그 다음, 혼합된 분말을 형성하여, 1600℃, 250kg/cm2의 압력에서 1시간동안 핫프레스에서 소성한다. 실험에서는 Al2O3 원료 분말로서 평균 입자 크기가 0.4μm, TiC 분말로서 평균 입자 크기가 0.3μm인 원료를 사용하여 소결체를 제조한다.
한편, 단결정체로서 단결정 사파이어, 단결정 MgO를 EFG 공정으로써 제조한다. 즉, 고순도 Al2O3 또는 MgO를 불활성 분위기중에서 용융시키고, 이 Al2O3 또는 MgO 용액과 접하도록 내부에 슬릿을 설비한 리본형태의 단결정 육성용 몰리브덴제 다이를 위치시킨다. 용액을 모세관 작용에 의해 몰리브덴제 다이 상단부의 용액과 접촉시켜서 종자결정을 위로 끌어올려서 단결정 사파이어 또는 단결정 MgO를 제조한다.
단결정 사파이어 또는 단결정 MgO의 제조방법은 EFG 공정에 한정되는 것이 아니라, 그 외의 제조방법도 채택될 수 있다.
이와같이 해서 얻어진 Al2O3-TiC 소결체, 단결정 사파이어 및 단결정 MgO의 판상체(板狀體)를 다이아몬드 휠로 연마가공하여 원판상의 기판(10)으로 가공한 후 다이아몬드 연마기로 표면의 래핑가공을 행한다.
다음으로, Al2O3-TiC 소결체로부터 이루어지는 기판(10)의 경우는, 평균 입자 크기 0.5μm의 다이아몬드 분말을 사용하여 기판(10)의 표면과 주석바닥판을 상대적으로 미끄러져 움직이게 하여 정밀한 연마를 행한다. 한편, 단결정 사파이어 또는 단결정 MgO로부터 이루어지는 기판(10)의 경우에는, 입자 크기 50nm 이하의 구형(球形) SiO2 미세분말을 순수한 물에서 현탁시킨 연마액을 공급하면서, 기판(10)의 표면과 연마포(布)를 상대적으로 미끄러져 움직이게 하여 정밀한 연마를 행한다.
상기로부터, Al2O3-TiC 소결체의 기판(10)의 경우에는 표면 조도(Ra) 18Å를, 단결정 사파이어 및 단결정 MgO의 기판(10)의 경우에는 표면 조도(Ra) 1Å를 갖는 것이 얻어진다.
다음으로, Al2O3-TiC 소결체의 기판(10)에 대하여는 99.5% 알루미나 타겟을 사용하여 스퍼터링 법으로써 비정질 알루미나로 이루어지는 기저막(12)을 7μm의 두께로 막을 형성하고 그 후, 구형 알루미나 미세 분말을 순수한 물에서 현탁시킨 연마액으로써 거울면 가공을 행한 후, 구형 세리아(seria) 미세분말을 순수한 물에서 현탁시킨 연마액으로써 최종정밀가공을 행하여 최종적으로 비정질 알루미나로 이루어진 기저막(12)을 두께 4μm, 표면 조도(Ra) 3Å으로 가공한다.
이들 기판(10)의 표면에, 고열전도절연막(11)으로서, AlN 및 비정질탄소의 막을 ECR 플라즈마 스퍼터링을 사용하고 막두께를 변화시킴으로써 형성하여 본 발명의 박막 자기 헤드용 기판을 제작한다.
비교예로서, 상기 Al2O3-TiC 계 소결체의 기판(10)위에, 기저막(12)을 형성하지 않고 동일한 방법으로 AlN 및 비정질탄소로 이루어진 고열전도절연막(11)을 막두께를 변화시켜서 제작한다.
이들 기판에 대하여, 우선 미분간섭현미경(50배)으로 막 형성 단계의 박리상태를 확인함과 동시에, 막 형성 전후의 평면도 변화율을 레이저 간섭평면도측정기로, 고열전도절연막(11)위의 표면조도를 AFM(Atomic Force Microscopy)로 측정한다.
결과는 표 2와 3에 나타나 있다.
No. 기판의 재질 기저막 고열전도절연막 막형성시 박리 표면조도 Ra(Å) 평면도 변화
*1 Al2O3-TiC 비정질알루미나 No 무 3거울면 형성후 작음
*2 Al2O3-TiC 무 AlN 10Å 무 20 작음
*3 Al2O3-TiC 무 AlN 100Å 무 25 보통
*4 Al2O3-TiC 무 AlN 900Å 유 － －
*5 Al2O3-TiC 무 비정질 탄소 10Å 무 22 작음
*6 Al2O3-TiC 무 비정질 탄소100Å 무 28 보통
*7 Al2O3-TiC 무 비정질 탄소900Å 유 － －
8 Al2O3-TiC 비정질알루미나 AlN 10Å 무 4 작음
9 Al2O3-TiC 비정질알루미나 AlN 100Å 무 5 작음
10 Al2O3-TiC 비정질알루미나 AlN 1500Å 무 8 보통
*11 Al2O3-TiC 비정질알루미나 AlN 2000Å 유 － －
12 Al2O3-TiC 비정질알루미나 비정질 탄소10Å 무 5 작음
13 Al2O3-TiC 비정질알루미나 비정질 탄소 100Å 무 6 작음
14 Al2O3-TiC 비정질알루미나 비정질 탄소1500Å 무 9 보통
*15 Al2O3-TiC 비정질알루미나 비정질 탄소2000Å 유 － －
주) *가 표시된 데이타는 본 발명의 범위 외이다.
No. 기판의 재질 기저막 고열전도절연막 막형성시 박리 표면조도 Ra(Å) 평면도 변화
16 단결정 사파이어 무 AlN 10Å 무 2 작음
17 단결정 사파이어 무 AlN 100Å 무 2 작음
18 단결정 사파이어 무 AlN 1500Å 무 3 작음
*19 단결정 사파이어 무 AlN 2000Å 유 － －
20 단결정 사파이어 무 비정질 탄소 10Å 무 2 작음
21 단결정 사파이어 무 비정질 탄소100Å 무 3 작음
22 단결정 사파이어 무 비정질 탄소1500Å 무 4 작음
*23 단결정 사파이어 무 비정질 탄소2000Å 유 － －
24 단결정 MgO 무 AlN 10Å 무 2 작음
25 단결정 MgO 무 AlN 100Å 무 3 보통
26 단결정 MgO 무 AlN 1500Å 무 3 보통
*27 단결정 MgO 무 AlN 2000Å 유 － －
28 단결정 MgO 무 비정질 탄소 10Å 무 3 작음
29 단결정 MgO 무 비정질 탄소100Å 무 4 보통
30 단결정 MgO 무 비정질 탄소1500Å 무 4 보통
*31 단결정 MgO 무 비정질 탄소2000Å 유 － －
주) *가 표시된 데이타는 본 발명의 범위 외이다.
표 2에 의하면, Al2O3-TiC 계 소결체의 기판(10)에 직접 AlN 및 비정질 탄소의 고열전도절연막(11)을 형성한 경우에는(No. 2-7), 기판(10)의 표면의 조도가 좋지 못하기 때문에, 고열전도절연막(11)의 표면조도를 10Å 이하의 매끄러운 표면으로 할 수 없다. 더욱이, 고열전도절연막(11)의 두께를 900Å까지로 형성하면 박리가 일어난다.
한편, 기저막(12)의 막형성, 거울면가공, 그리고 나서 고열전도 절연막(11)을 막형성한 것에 관하여는, 매우 매끄러운 표면이 얻어지지만, 고열전도절연막(11)의 두께가 1500Å를 넘는 것(No.11, 15)은 박리가 일어난다.
상기와 반대로, 고열전도절연막(11)의 두께를 10∼1500Å의 범위로 한 본 발명실시예(No.8∼10, 12∼14)에서는 박리없이 고열전도절연막(11)위의 표면 조도(Ra)를 10Å이하로 하는 것이 가능하다.
더욱이 표 3에 의하면, 기판(10)으로서 단결정 사파이어를 사용한 경우에는, 고열전도절연막(11)의 두께가 1500Å을 넘으면(No.19, 23) 박리가 일어나지만, 두께를 10-1500Å의 범위내로 한 본발명 실시예(No.16∼18, 20∼22)에서는, CMP 가공으로 아주 매끄러운 면이 얻어지고, 게다가 고열전도절연막(11)을 막 형성하고 있기 때문에, 그 표면조도는 표 2의 Al2O3-TiC 계 소결체의 경우와 비교하여 현저하게 개선되었다.
한편, 단결정 MgO의 기판(10) 경우도, 고열전도절연막(11)의 두께가 1500Å을 넘으면(No. 27, 31) 박리가 일어나지만, 두께를 10∼1500Å의 범위내로 한 본 발명 실시예(No. 24∼26, 28∼30)에서는 단결정 사파이어와 동등한 것이 얻어진다. 또한, 이러한 경우는 영(Young)율이 단결정 사파이어보다도 작기 때문에 평면도 변화량은 커지기 쉽다.
상기의 결과로부터 판단할 때, 보다 매끄럽고 평면도 변화가 작은 조건으로서는, 기판(10)에 단결정 사파이어를 사용하고 AlN 또는 비정질탄소 등의 고열전도절연막(11)을 두께 10∼1500Å의 범위에서 막을 형성하는 것이 가장 적절하다.
상기에서 상술한 대로, 본 발명에 의하면, 세라믹스 또는 단결정체로부터 이루어지는 기판 위에, 상온에서의 열전도율 45W/m·K 이상이고, 체적고유저항 108Ω·cm 이상이며, 두께 10∼1500Å의 고열전도절연막을 구비한 박막자기헤드용 기판을 구성하는 것에 의하여, 방열성, 절연성에서 우수하고 아주 평활한 표면을 가지는 박막자기 헤드용 기판을 얻을 수 있다.
따라서, 상기 박막자기 헤드용 기판 위에 자성막을 형성하여 박막자기 헤드를 형성하면, 소자 주변의 방열성을 높일 수 있고, MR 헤드 및 GMR 헤드를 사용하는 경우에도 적절한 사용이 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 박막자기헤드용 기판을 도시한 사시도이고,
도 2a 및 도 2b는 본 도 1a의 X-X선 단면도이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 박막자기헤드의 자성막의 대표적인 구성을 도시한 도면이다.

Claims (4)

  1. 단결정체로 이루어진 기판 위에, 상온에서의 열전도율이 45W/m·K 이상이고, 체적고유저항이 108Ω·cm 이상이며, 두께가 10∼1500Å인 고열전도절연막을 구비하고, 상기 고열전도절연막으로서 비정질 탄소를 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자기헤드용 기판.
  2. 단결정체로 이루어진 기판 위에, AlN, BN 및 DLC중 1가지 이상의 재질 및 비정질 탄소로 이루어진 두께 10∼1500Å의 고열전도절연막을 구비한 것을 특징으로 하는 박막자기헤드용 기판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고열전도절연막의 표면이, AFM(Atomic Force Microscopy)으로 측정된 표면 조도(Ra)가 10Å 이하인 것을 특징으로 하는 박막자기헤드용 기판.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 박막자기헤드용 기판의 고열전도절연막 위에 자성막을 구비한 것을 특징으로 하는 박막자기헤드.
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