CN1068691C - 磁记录盘 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种薄膜钴合金磁记录盘，有一金属氮化物层位于盘基片和盘上表面之间提供在磁头-盘介面处的盘纹理结构。纹理结构层是由一般邻接的铝氮化物(AIN)团粒构成。AIN纹理结构是在有N2气存在的情况下溅镀Al耙形成的。其后溅镀沉积的Cr下层、钴合金磁层及保护性无定形碳外套再现邻接AlN团粒上表面外形，在磁头-盘的介面造成一个纹理结构表面。AlN纹理结构层也可以溅镀在磁层上方的保护碳外层中间。

Description

磁记录盘
本发明涉及具有某种纹理结构表面的磁记录盘。
在一类旋转磁记录硬盘驱动器中，每个读/写传感器(或称磁头)被支持在一个托架(或滑动架)上，当磁盘以其操作速度转动时，它骑在与其相伴的磁盘表面上方的空气垫或空气支承上。这个滑动架有一个空气支承表面(ABS)，通常是一组轨道的形式，而且通常用一悬线连接到线性或转动的传动装置上。在盘驱动器中可能有一迭磁盘，由该传动装置支持多个滑动架。传动装置径向移动滑动架从而使每个头可以达到与它相伴的磁盘表面的记录区。
在这个传统的磁盘驱动器中滑动架借助来自悬丝的一个小力使其偏向盘表面。这样，滑动架的ABS(空气支承表面)从盘驱动器接通时起动盘达到足够速度使滑动架骑到空气支承上为止的一段时间里是与盘表面接触的。当盘驱动器被关掉和盘转动速度降到造成空气支承所需速度以下的滑动架的ABS再次与盘表面接触。这类盘驱动器叫作接触起/停(CSS)盘驱动器。为了给CSS盘驱动器的ABS提供防磨损措施，可以在滑轨上放置保护外罩。IBM的美国专利第5,159,508号描述了一个带有空气支承轨道的滑动架，它有无定形碳外罩用硅粉附层粘附在轨道上。
在CSS硬盘驱动器中的磁记录盘通常是薄膜盘，其组成是：一个片基，如由玻璃、陶瓷、玻璃状碳或铝—锰(AlMg)合金加上镍—磷(NiP)表面敷层，以及在片基上由溅镀沉积而成的钴基磁性合金膜。在磁层上面再形成一个保护外套，如溅镀沉积的无定形碳膜，以提防对来自滑动架的ABS(空气支承表面)的侵蚀和磨损的防护。在保护性盘外套表面上还保持有液体氟乙醚润滑剂以防止盘起动和停止期间对磁盘和磁头的损坏。
对于薄膜盘和滑动架空气支承表面的保护性碳外套是众所周知的。它们通常是通过由石墨耙溅镀沉积而成，而且通常把保护性碳外套称作“类金刚石”碳外套、无定形碳外套、或在存在含氢的气体情况下由溅镀沉积形成那些外套时称作氢化碳外套。Tsai等在“刚性磁介质盘的溅镀碳外套的结构和性质”(J.Vac.Science Technology的A6(4)期，1988年7月/8月，第2307-2314页)一文中描述了这种保护性碳外套并把它们称作无定形“类金刚石”碳膜，这里“类金刚石”是指它们的硬度而不是指它们的结晶构造。IBM的美国专利第4,778,582号描述了一个在存在氩(Ar)和氢(H2)的情况下溅镀石墨耙形成的保护性氢化磁盘碳外套。如Kaufman等Phys.Rev.B第39卷，1989年6月，第13053页)描述的那样，也可以由等离子体增强的化学汽相沉积(CVD)来形成，而且除了氢以外还可以包括氮。
除了磁层和保护性外套外，薄膜盘还可以包括一个溅镀沉积的下层，例如铬(Cr)或铬—钒(CrV)合金，置于片基和磁层之间，以及一个溅镀沉积的粘附层，如铬(Cr)、钨(W)或钛(Ti)层，置于磁层和保护性外套之间。
为了改进盘的抗磨损性以及保护一致性的磁特性，希望使盘表面尽可能的光滑。然而，在CSS(接触起/停)盘驱动器中很光滑的盘表面会造成所谓“粘住”。这意味着在滑动架空气支承表面已经与盘稳定接触一段时间之后滑动架倾向于抵制平移运动，或者说“粘住”在盘表面。已知这种“粘住”力会随时间增大而增强。这样，在一个CSS周期之后较短时间内测量的粘住力叫作“CSS粘住力”，而在一个CSS周期之后几小时测量的粘住力叫作“静止粘住力”。粘住是由多种因素造成的，包括由于润滑剂和大气水蒸气毛细冷凝造成的静态摩擦和粘滞力。当起动盘转动时，当滑动架突然从盘表面脱离时，CSS盘驱动器中的粘住作用会导致磁头或盘的损坏。由于传动装置和滑动架之间的悬丝在允许滑动架飞到盘表面上方这一方面比较脆弱，所以盘的突然转动也能损坏悬丝。
为避免CSS盘驱动器伴生的粘住问题，一些盘驱动器是“加载/卸载”型的。在这类驱动器中，当传动装置在关电撤回时滑动架被从盘机械地卸载，通常利用与悬置装置相接触的斜坡来实现，然后当开电并在盘已达到足以产生空气支承时再加载到磁盘。然而，即使在加载/卸载型盘驱动器中，当加载/卸载系统失灵时粘住也会是一个问题。
对粘住问题的更常用的解决办法是使盘面有一种纹理结构。典型作法是对盘的片基进行研磨抛光，这使沉积在片基上的组成层具有纹理结构。授予Magnetic Peripherals，Inc(磁外部设备公司)的美国专利第5,108,781号描述了用激光加热使在片基表面形成小坑图案来使盘片基具有纹理结构。盘外套复制片基的纹理结构，并在滑动架静止于盘外套上时减小粘住力。然而，对片基研磨抛光和用激光使之具有纹理结构增加了盘的制作成本和复杂性，因为它不能在传统的溅镀沉积处理室现场进行。
日本专利特开平6-60368(对应于美国专利5474830)公开了一种磁记录头，由非磁性片基、颗粒沉积层、金属基片层、磁性层、保护层和润滑层叠层而成，其中颗粒沉积成分散的岛状，从而使金属基片层与非磁性片基部分地接触。
IBM的美国专利No.5,053,250描述了一种现场处理以在盘片基上形成有纹理结构的底层。该专利教导使用一种低熔点金属材料，当它被溅镀沉积到被加热的片基上时便形成许多不连续的流体球。沉积在这许多固化球上的磁层和外套便遵循这个不连续的表面形态，在头—盘介面上形成一个有纹理结构的表面。
对整个片基进行纹理结构处理，不论是用研磨抛光，用激光使之具有纹理结构还是现场处理都有附加的坏处，即如果这种组织结构不能被小心地加以控制，那么磁层的结晶生长会受到相反的影响。这会造成磁特性降低，特别是在高记录密度的情况下，这时需要高信号噪声比(SNR)和低的软差错率(SER)。为避免这一问题，对盘片基的组织结构处理可以限定在无数据区，称作“着陆区”，这是当盘驱动器停止时滑动架被移动到的地方。这种着陆区增加了驱动电路的复杂性，但对于避免片基组织结构对盘的数据区磁性质产生不好的影响是必须的。
与对片基进行纹理结构处理不同，即提议对盘的保护外套进行纹理结构处理。这可以由研磨抛光或其他机械处理，或者由化学或激光刻蚀(如IBM技术描述汇编(Technical Disclosure Bulletin)1989年10月，第264页)所描述的)来实现。如IBM的美国专利No.5,030,494所描述的另一类外套“纹理结构处理”涉及用其他材料添加剂与碳共同溅镀，这种添加剂投射到比较光滑的碳外套表面并呈现出不连续的磁头—盘介面。这些类型的先前的盘外套纹理化技术或者涉及附加的复杂而成本高的非现场处理步骤，或者造成的外套不是所希望的无定形碳连续膜。
所需要的是这样一种薄膜磁记录盘，它能向磁头支架呈现出一个连续的有纹理的表面而且能在现场用传统的处理过程制造出来。这种磁盘必须有减小的粘住力但又不降低磁记录性能。
本发明是一个薄膜磁记录盘，它具有一个金属氮化物纹理结构层位干盘片基和盘的顶表面之间。在一个最佳实施例中，纹理结构层由铝的氮化物(AlN)团粒构成，它们形成于下层下面的片基上。AlN纹理结构层是在存在氮气(N2)的情况下溅镀铝(Al)耙构成的。这造成一般连续的AlN团粒(它们一般具有圆形上表面)沉积在片基上。其后的溅镀沉积的下层、磁层和盘外套再现这一表面，使在磁头—盘介面造成纹理化的盘表面。在另一个实施例中，金属氮化物层形成于磁层之上，或者直接在磁层上或者在保护性碳外套中间。由氮(N2)量、溅镀功率和压力以及片基温度来控制AlN团粒的密度和大小，从而控制完成的磁盘的纹理结构。
要更充分理解本发明的特点和优点，应参考下面结合附图进行的详细描述。
图1是先有技术CSS盘驱动器示意截面图。
图2是在图1中示意显示的先有技术盘驱动器的打开顶视图。
图3是一截面图，显示出根据本发明的一个实施例形成薄膜盘的各层，这里的纹理结构层形成于片基上。
图4是根据本发明的一个实施例构成的薄膜盘外表面外形(to-pog raphy)的原子力显微镜(AFM)微观图。这里的纹理结构层是溅镀沉积于盘片基上。
图5是一截面图，显示出根据本发明的实施例形成薄膜盘的各层，这里的纹理结构层形成于磁层上方。
图6是根据本发明的实施例构成的薄膜盘外表面外形的原子力显微镜(AFM)微观图。这里的纹理结构层形成于磁层上方。
参考图1，这是先有技术CSS盘驱动器示意性截面图。盘驱动器由固定盘驱动器马达12的基座10、传动装置14及外罩11构成。基座10和外罩11提供了一个基本密封的盘驱动器容器。一个垫圈13位于基座10和外罩11之间，一个小的呼吸孔(图中未画出)平衡盘驱动器内部和外部环境之间的压力。
磁记录盘16借助它所连接的轴18与驱动器马达12相连。在盘16表面保持一个润滑剂膜40。盘16的盘基通常由带有纹理化NiP表面敷层的玻璃、陶瓷、玻璃状碳或铝锰(AlMg)合金制成。片基的纹理结构最通常的是由研磨抛光完成，它使其后沉积的下层、磁层和保护外套复制这个纹理结构外形，从而使外套在磁头—盘介面呈现出有纹理结构的外表面。在CSS盘驱动器中，片基可以只在非数据区(称作“着陆区”)进行纹理化，当盘驱动器停止时滑动架20便运动到这个区。
读/写头或称传感器25构成于一个支架(例如空气支承滑动架20)的尾端。传感器25可以是一个感应读写传感器，或者是带有磁阻(MR)读传感器的感应写传感器。通过刚性臂22和悬臂24将滑动架20与传动装置14相连。悬臂24提供一个偏移力促使滑动架20趋向记录盘16的表面。
在盘驱动器操作过程中，驱动器马达12以一恒定速度转动磁盘，传动装置14(它通常是一个线性或转动音圈(voice coil)马达(VCM)，推动滑动架20一般在径向穿过盘16表面，从而使读/写头可以到达盘16上的不同数据道。
图2是去掉外罩11后盘驱动器的内部顶视图。图中更好地显示出悬臂24的细节，悬臂24给滑动架20提供了一个力促使它向着磁盘16。悬臂可以是一个传统类型的悬臂，如众所周知的Watrous悬臂(如IBM美国专利第4,167,765描述的那样)。这类悬臂还提供了滑动架的万向头连接，这允许滑动架骑在空气支承上时能俯仰和滚转。由传感器25从盘16检测到的数据被位于臂22上的集成电路芯片30中的信号放大和处理电路进行处理，生成数据读回信号。来自传感器25的信号经由弯曲电缆32送到芯片30，芯片30再经电缆34送出它的输出信号。
根据本发明的薄膜盘50示于图3中的截面图。当用盘50代替图1和图2所示先有技术盘16时，所造成的结果是一个具有改进的磁头—盘介面但对SNR和SER没有负作用的盘驱动器。盘50的组成是：一个玻璃盘坯作为片基51，一个在片基51上形成的Cr(铬)下层54、一个在Cr下层54上形成的CoPtCr合金磁层56、在磁层56上形成的保护外套60、以及在保护外套60上形成的润滑剂膜58。在本发明中可用的其他片基可以由硅(Si)、碳化硅(SiC)、陶瓷、玻璃状碳、或带有NiP表面敷层的AlMg盘坯。纹理结构层52由铝的氮化物(AlN)团粒组成，这些团粒通常具有球形或圆形表面。下层54和磁层56由传统的溅镀沉积形成。盘外套60可以由任何传统的盘外套材料形成。然而，在最佳实施例中，外套60是基本上被氢化的无定形碳。外套60也可以掺氮。
图3所示盘是使用平滑玻璃片基(平均表面粗糙度Ra＝5)在具有多个溅镀室的DC磁控管溅镀系统中制作的。首先将玻璃片基用净化蒸馏水清洗。作为通常制作过程的一部分，片基被加热到180℃(±70℃)。片基被加热以改善其后钴合金磁层的沉积。在含有市场上可买到的铝耙(99.99％纯度)的第一溅镀室中引入氩(Ar)和氮(N2)气体。ArN2体积流速比约为5∶1，其希望范围是10∶1至3∶1。DC溅镀功率是500瓦，其希望范围是200-1000瓦。溅镀压强保持在5-20mTorr(相当于1mm水银柱的压强的千分之一)。在这一溅射步骤，氮气与来自溅镀耙的铝反应，并在玻璃片基上形成基本上由AlN化合物组成的团粒。团粒一般是连续的，因此纹理结构层52可以描述为在其上表面有圆形突起的AlN层。由控制沉积时间来控制纹理层52的厚度。在该最佳实施例中，纹理层52的平均厚度范围是100-300A。
圆形AlN团粒的形成依赖于片基温度、溅镀压强和功率、以及Ar/N2体积流速比。已经发现，对于所用的具体的Intervac牌溅镀系统，如果功率低于200瓦左右则AlN层没有纹理结构；如果功率超过700瓦左右，则AlN层的外表面不再是所希望的圆形突起形状，而是一般为不连续的峰、谷的随机分布。
在纹理结构层52沉积之后，盘被移到下一个紧挨着的溅镀室，在那里在只是Ar气中形成500-1000的Cr(铬)下层54和300-700的CoPtCr磁层56。最后，盘被移到最后一个溅镀室，在那里在Ar-H2(氢)气体中形成被氢化的碳外套60，其厚度为100-250。
尽管这些盘是在具有分开的几个隔离溅镀室的溅镀系统中制成的，但使用一个一列式系统来制作盘也是可能的，这里的一列式系统中只有一个真空室而盘被依次移动通过不同的溅镀耙。在这类系统(如市场上可买到的Ulvac和Leybold牌系统)中只在铝(Al)溅镀区加入N2(氮)气。
图4是以纹理结构层52直接形成于玻璃片基51上的盘的碳外套60的外表面外形的原子力显微镜(AFM)微观图。显而易见，外套60的外表面再现了由AlN团粒提供的纹理结构。图4表明，团粒顶部共面间隔为0.1微米(1000)的量级，这显著地大于钴基合金磁层56的厚度。
对于在溅镀室中以不同量的N2气体制成的盘，在3000通量反向/毫米(flux rever sals/mr)情况下测量的SNR(信号噪声比)显示出了当Ar-N2混合气体中N2从0增加到20％时一般为线性增大，从32.5dB左右增大到35dB左右。这些数值表明，向Al中加入N2有利地控制了Cr下层和CoPtCr磁层的结晶优选取向和颗粒结构。X-射线衍射分析AlN纹理结构层上沉积的Cr层和CoPtCr磁层的结果表明显著减少了Cr层中的[110]优选取向，从而显著减少了CoPtCr磁层中的[0002]优选取向。再有，在CoPtCr磁层中观察到了强的(10.0)峰，表明在磁层平面内C-轴的成行排列，这增强了记录性能。
与传统的机械方法造成纹理结构的盘相比，在高线性记录密度(4000-6000通量反向/毫米)情况下这种盘的测定SNR有显著的改善。这种改善是由于不存在机械纹理化盘中存在的所谓“纹理结构诱发噪声”。
AlN团粒的密度和大小能由N2量、溅镀功率和压力、以及片基温度来控制。在给定溅镀功率下，团粒尺寸随N2增加而减小。团粒密度由片基温度、溅镀压力、和片基表面能来控制。例如，片基温度的增加减小团粒密度。在前述试验实例中，片基是被加热的。然而已经在未加热的片基上成功地形成了AlN团粒。尽管所描述的过程是对玻璃片基盘而言的，但在陶瓷(例如来自Corning Glass公司的Memcor牌片基)、玻璃状碳(例如可从Kobe Precision公司得到的无定形碳片基)、半导体级Si晶片、以及带有NiP表面敷层的AlMg片基上也已成功地形成了AlN团粒。对于这些片基中的每一种，都必须通过实验选定N2浓度、溅镀功率和压力、以及片基温度这些不同的处理参数，以使得按希望的大小和密度沉积AlN团粒。
薄膜盘也如上所述那样制造出来了，但是纹理层52或者是直接形成于磁层56上面，或者是如图5实施例所示那样形成于50厚度的第一碳层61上，并在纹理层52上直接沉积100A厚的第二碳层62。在图5实施例中，碳外套于是包括第一碳层61、纹理层52及第二碳层62。其过程与前面描述的一样，只是N2气引入到溅镀室是在沉积磁层56的溅镀室的下手。在纹理层52直接沉积于磁层56上的实施例中，含有Al耙的溅镀室位于磁层室和碳外套室之间。
在图5的实施例中，第一和第二碳层61、62也能用RF CVD带片基偏压(-400Vdc)来沉积。RF(射频)功率最好是300瓦，气体是C-戊烷(4sccm(标准立方厘米)、Ar(2sccm)及N2(14sccm)。在CVD过程中的总压强是33mTorr。用RF CVD制成的碳层的氢含量是27(±3)原子百分数，氮含量是4(±1)原子百分数。
然后，对于以纹理层52直接位于磁层56之上和位于碳层60中间而制成的盘进行了起/停性能测试，并将结果与在完全相同条件下测试的控制盘(不带纹理层)结果进行比较。盘驱动器是市场可买到的配有带碳敷层轨道的滑动架的驱动器。对于起/停测量所要求的通过/失败条件是在盘驱动器马达启动后初始60ms期间施加给滑动架的最大力保持在8gm以下。然而，不同驱动器使用不同的驱动器马达，所以这个标准会随驱动器的设计而改变。标准CSS周期在最大转速3600rpm(每分钟转数)时包括0.17分静止时间和0.10分飞行时间。在几个CSS周期后测量的粘位力对带有纹理层的所有盘是在2和4gm之间，而对所有的控制盘均大于80gm。
除了显示出可接受的粘位水平外，带有磁层56上形成的纹理层52或者纹理层52作为碳层60的一部分的盘也是耐用的和抗腐蚀的。而且，大约250的总外套厚度很好地处于为使读/写头和盘上磁层间间隔极小所必须的范围(即小于350A左右)。
在上面描述的试验盘中，纹理层是由存在Ar-N2气体情况下溅镀铝形成的。也在实验中确定了钛(Ti)和铌(Nb)能提供具有各自金属氮化物一般圆形团粒的纹理结构层。这些团粒的密度一般高于AlN团粒密度，但其高度一般低于AlN团粒。相信任何与氮形成化合物的金属都将提供这种纹理结构层，因为这种化合物的形成减小了在原子撞击片基时的金属原子表面运动能力。这种表面运动能力的降低相信是在给定适当溅镀功率和Ar/N2比的情况下在片基上形成的金属氮化物为一般圆形团粒而不是一般扁平的岛屿状物。对于每种这类金属，需要实验确定测镀功率的Ar/N2比例，以便使提供层的圆形金属氮化物团粒具有所希望的密度和大小。对于熔点高于Al的金属，片基温度对控制团粒密度和间距是一个作用较小的参数。
尽管已经参考最佳实施例具体显示和描述了本发明，精通本门技术的人们将会理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离本发明的精神、范围和原理。因此，所描述的发明只应被理解成说明性的，在范围上的限制只由所附权利要求来确定。

Claims (5)

1.一种磁记录盘，这种磁记录盘具有：
一个由玻璃、硅、碳化硅或玻璃状碳制成的、具有平坦的表面的刚性盘基；
一个沉积在上述盘基上的金属氮化物层；
一个形成在上述金属氮化物层之上的下层；
一个包含钴和一种或多种其他元素的合金的、形成在上述下层之上的磁层；以及
一个形成在上述磁层之上的保护外套；
其特征在于：
上述金属氮化物层被设成一个直接位于上述盘基上的一个薄膜，该薄膜与所述盘基接触并且覆盖住上述盘基的全部，使上述下层的任何部分都不与上述盘基的表面相接触；上述金属氮化物层沉积在上述盘基上之后具有带有许多呈圆形的凸起的表面结构；所述的圆形凸起提供了一种与上述盘基的平坦表面相比而言呈纹理状的表面。
2.如权利要求1所述的磁记录盘，其特征在于：上述的外套基本上由无定形碳构成。
3.如权利要求2所述的磁记录盘，其特征在于：上述的无定形碳外套包含从由氢和氮构成的一组元素中选出的一种元素。
4.如权利要求1所述的磁记录盘，其特征在于：上述的下层为铬或铬合金。
5.如权利要求1所述的磁记录盘，其特征在于：上述的金属氮化物基本上由铝的氮化物构成。
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