四面体无定形碳膜及其制备方法 发明背景发明领域
本发明涉及覆盖在物体上的硬碳膜。特别地，本发明涉及覆盖在磁头滑块中滑块主体底表面上的硬碳保护膜。例如，可以将磁头滑块引入磁记录介质驱动器如硬盘驱动器中。现有技术的描述
一般情况下，磁头滑块包括形成以在滑块主体底表面上延伸的硬碳膜。电子回旋加速器共振化学气相沉积(ECR-CVD)或离子束沉积(IBD)通常用于形成硬碳膜。硬碳膜覆盖磁头或从滑块主体曝露的传感器元件。甚至当磁头滑块碰撞到硬盘，磁记录介质的代表，和/或分散在磁头盘上的污染物时，硬碳膜用于保护磁头元件免受损害。
将氟施加到硬碳膜的表面上。将硬碳膜的表面曝露于CF4等离子体用于氟的施加。氟用于防止水或润滑剂对硬碳膜表面的粘合或附着。因此可防止磁头元件的腐蚀。此外，如果以此方式可靠地防止水或润滑剂的粘合或附着，允许磁头滑块在磁记录介质或硬盘表面上稳定浮动高度保持浮动。
如通常已知的那样，sp3碳键的增加数量导致硬碳膜中致密结构的建立。硬碳膜增加的硬度得到改进。然而，硬碳膜地硬度倾向于抑制氟对硬碳膜表面的附着或粘合。氟的不足够施加可导致水或润滑剂对磁头滑块不可避免的附着或粘合。
发明概述
因此本发明的目的是提供能够可靠地防止水或润滑剂的附着或粘合而不管硬度改进的硬碳膜。
根据本发明，提供一种四面体无定形碳(ta-C)膜的制备方法，包括：在物体表面上沉积碳膜，保持物体表面曝露于氟原子。
该方法允许氟原子分散在四面体无定形碳膜中的沉积碳原子中。四面体无定形碳膜的硬度可以响应于包括在四面体无定形碳膜中的sp3碳键的增加含量而改进。此外，由于存在于四面体无定形碳膜曝露表面附近的氟原子，四面体无定形碳膜仍然提供对水的足够排斥性能。特别地，由于在碳原子的沉积期间施加氟原子，根据sp3碳键的增加数量，可以将足够数量的氟原子引入具有致密或紧密压紧结构的四面体无定形碳膜中。
当以上述方式将物体曝露于氟原子时，物体可位于包括氟的化合物气体的气氛中。或者，可以将物体进行氟离子束的辐射。在任一情况下，在碳原子沉积期间可以足够地将氟原子引入四面体无定形碳膜中。
当要在物体表面上沉积碳原子时，可以将物体进行碳离子束辐射。特别地，优选采用过滤阴极弧(FCA)以产生碳离子束。FCA用于以相对易化的方式增加四面体无定形碳膜中的sp3碳键。可以有效地在物体表面上获得四面体无定形碳膜。
上述方法提供覆盖在基材上和在膜中包括氟原子的四面体无定形碳膜。允许获得的四面体无定形碳膜享有足够硬度和水在曝露表面的排斥性能。
在此情况下，氟原子优选分散在四面体无定形碳中。优选设定sp3碳键的含量等于或大于80％。sp3碳键的此含量导致四面体无定形碳膜的足够硬度。优选设定氟原子的含量小于20at％。如果将氟原子的含量设定为20at％或更大，不能在四面体无定形碳膜中获得足够的硬度。
例如，本发明的四面体无定形碳膜可用于在磁记录盘驱动器如硬盘驱动器(HDD)中引入的磁头滑块。磁头滑块可包括底表面与记录介质相对的滑块主体；和覆盖在底表面上的四面体无定形碳膜，该四面体无定形碳膜内部包括氟原子。磁头滑块的底表面可以由具有增加硬度的保护膜覆盖。可以保护滑块主体的底表面免受损害或碰撞而不管四面体无定形碳膜的厚度降低。此外，由于氟原子存在于底表面上四面体无定形碳膜的曝露表面附近，可以在底表面上建立对水的足够排斥性能。可靠地防止底表面免受水和润滑剂的附着或粘合。因此可防止磁头滑块免受重量的变化。
附图简述
从优选实施方案的如下描述结合附图，本发明的以上和其它目的，特征和优点是显然的，其中：
图1是简要说明硬盘驱动器(HDD)内部结构的平面图；
图2是简要说明根据具体实施例浮动磁头滑块结构的放大透视图；
图3是简要说明浮动磁头滑块介质相对的或底表面的平面图；
图4是简要说明硬碳膜结构的放大部分横截面图；
图5是用于简要说明制备浮动磁头滑块方法的晶片的透视图；
图6是说明布置在夹具上晶片棒的平面图；
图7是说明过滤阴极弧(FCA)装置结构的简图；
图8是说明氟含量和硬碳膜之间关系的图；和
图9是说明氟含量和硬碳膜的水接触角之间关系的图。
优选实施方案的描述
图1简要说明作为磁记录介质驱动器或存储设备的例子的硬盘驱动器(HDD)11的内部结构。例如，HDD11包括确定平坦平行六面体内空间的箱形主外壳12。至少一个记录介质或磁记录盘13容纳在主外壳12的内空间中。将磁记录盘13安装在主轴电动机14的驱动轴上。例如，允许主轴电动机14驱动磁记录盘13用于在更高回转速率如7,200rpm或10,000rpm下的旋转。将盖子，未示出，结合到主外壳12上以确定在主外壳12和它自身之间的密闭内空间。
托架16也容纳在主外壳12的内空间中用于围绕垂直支撑轴15的摆动运动。托架16包括在从垂直支撑轴15的水平方向中延伸的刚性摆动臂17，和固定到摆动臂17尖端以从摆动臂17向前延伸的弹性磁头悬浮件18。如通常已知的那样，将浮动磁头滑块19通过未示出的万向弹簧在磁头悬浮件18的尖端悬臂。磁头悬浮件18用于向磁记录盘13表面推动浮动磁头滑块19。当磁记录盘13旋转时，允许浮动磁头滑块19接收沿旋转磁记录盘13产生的空气流。空气流用于在浮动磁头滑块19上产生提升力。因此允许浮动磁头滑块19在磁记录盘13表面上，在磁记录盘13的旋转期间以更高稳定性保持浮动，该稳定性由提升力和磁头悬浮件18的推动力之间的平衡建立。
当驱动托架16在浮动磁头滑块19的浮动期间围绕支撑轴15摆动时，允许浮动磁头滑块19越过在磁记录盘13上在磁记录盘13径向方向中确定的记录磁道。此径向移动用于将浮动磁头滑块19刚好放置在磁记录盘13上的目标记录磁道上。在此情况下，例如，电磁致动器21如音圈电机(VCM)可用于实现托架16的摆动运行。如通常已知的那样，在其中将两个或多个磁记录盘13引入主外壳12的内空间中的情况下，在相邻磁记录盘13之间布置一对弹性磁头悬浮件18。
图2说明浮动磁头滑块19的具体实施例。此类型的浮动磁头滑块19包括由Al2O3-TiC组成形式为平坦平行六面体的滑块主体22，和形成以在滑块主体22的尾端或流出端上铺展的磁头保护层24。磁头保护层可由Al2O3组成。将读取/书写电磁传感器23嵌入磁头保护层24中。读取/书写电磁传感器23可包括读取元件和书写元件。读取元件可由大磁阻(GMR)元件，隧道结磁阻(TMR)元件等表示。书写头可由采用薄膜线圈图案的薄膜磁头表示。将介质相对表面或底表面25在滑块主体22和磁头保护层24上连续确定以在一定距离面向磁记录盘13的表面。设计底表面25以接收沿旋转磁记录盘13的表面产生的空气流26。
形成一对栏杆27以在底表面25上从引导或流入端向尾端或流出端延伸。设计单个栏杆27以在它的顶表面确定空气承受表面(ABS)28。空气流26在各自的空气承受表面28产生上述提升力。允许嵌入磁头保护层24的读取/书写电磁传感器23在空气承受表面28处曝露前端。浮动磁头滑块19可采取不是上述那个的任何形状或形式。
如图3所示，将硬碳膜29覆盖在空气承受表面28的总体面积上。读取/书写电磁传感器23的曝露前端由硬碳膜29覆盖。例如，可以设定硬碳膜29的厚度等于或小于5.0nm。
硬碳膜29由所谓的四面体无定形碳(ta-C)组成。具体地，在硬碳膜29中设定sp3碳键的含量等于或大于80％。此外，硬碳膜29包含氟。如图4所示，允许氟原子31分散在四面体无定形碳中。氟原子31与四面体无定形碳的碳原子32完全混合。可以设定氟的含量小于20at％。
由于足够数量的sp3碳键包含在硬碳膜29中，可以在硬碳膜29中建立致密或紧密压紧的结构。因此可以改进硬碳膜29的硬度。可以在硬碳膜29中保持足够的硬度而不管硬碳膜29中厚度的降低。硬碳膜29厚度的降低导致在读取/书写电磁传感器23的曝露前端和磁记录盘13之间空间或距离的减小。
由于存在于硬碳膜29曝露表面附近的氟原子31，硬碳膜29仍然提供足够排斥性能。可靠地防止空气承受表面28免受水的附着或粘合。可靠地防止读取/书写电磁传感器23的腐蚀。同样，硬碳膜29用于防止润滑剂对空气承受表面28的附着或粘合。允许浮动磁头滑块19在磁记录盘13表面之上以稳定的浮动高度保持浮动。粘合到浮动磁头滑块19的润滑剂可引起浮动磁头滑块19重量的变化，使得浮动磁头滑块19倾向于承受浮动高度的变化。
其次，简单描述浮动磁头滑块19的制备方法。如图5所示，首先制备由Al2O3-TiC组成的晶片41。在晶片41表面上成排形成读取/书写电磁传感器23。与单个浮动磁头滑块19相应的每个块42接收每个读取/书写电磁传感器23。例如，可以在5英寸直径的单一晶片41中设计100行和100列的浮动磁头滑块19。可以在晶片41表面上覆盖的Al2O3(氧化铝)膜或下层(underlayer)上建立读取/书写电磁传感器23。然后采用氧化铝膜或上层(overlayer)覆盖建立的读取/书写电磁传感器。可以采用此方式在晶片41上获得嵌入磁头保护层24中的读取/书写电磁传感器23。
然后从晶片41切割出晶片棒43。单个晶片棒43包括块42的排。在晶片棒43的截面44的所有表面上形成硬碳膜29。以下将详细描述硬碳膜29的制备方法。
在已形成硬碳膜29之后，对于相应的块42将底表面25个别地在晶片棒43的截面44上刮擦。例如，可以采用光刻法以形成栏杆27。将栏杆27的顶表面，即，单个空气承受表面28由光刻胶膜覆盖，使得硬碳膜29保留在单个空气承受表面28上。对于相应的块42最终从晶片棒43切割出单个浮动磁头滑块19。
过滤阴极弧(FCA)用于形成硬碳膜29。如图6所示，例如，将晶片棒43固定在预定的夹具或支撑45上。可以采用粘合剂以固定晶片棒43。然后在FCA装置46中放置夹具45，如图7所示。
在此，简要描述FCA装置46的结构。FCA装置46包括腔室47。支撑板48位于腔室47中用于接收夹具45。根据围绕三轴方向的旋转，允许支撑板48采取任何姿态。
阴极49位于腔室47中用于保持目标物。例如，目标物可包括碳块。触发器(striker)51用于在阴极49或目标物和阳极52之间产生弧放电。弧放电用于从目标物释放碳离子。借助于阴极线圈53和光栅线圈54，将碳离子的材料流或碳离子束55导引到支撑板48。在滤波线圈56上捕集非电离粒子和碳物质。因此允许碳离子以显著更高的密度到达在支撑板48上的晶片棒43。在晶片棒43的截面44上产生包括在等于或高于80％比率下sp3碳键的碳结构，即，四面体无定形碳。
将CF4气体引入FCA装置46的腔室47中。当形成四面体无定形碳时，在腔室47中建立CF4气体的气氛。因此，氟原子分散入四面体无定形碳中。或者，CF4气体的离子束57可用于将氟原子分散入四面体无定形碳中。可以将离子枪58连接到腔室47以实现离子束57。如果在垂直于碳离子束55的方向中辐射离子束57，可以在硬碳膜29中建立氟原子的均匀性。在其中将离子枪58的输出功率设定更高的情况下，优选将CF4气体的离子束57与晶片棒43的截面44平行取向，如图7所示。可以根据CF4气体的流量、施加到离子枪58上的电功率水平等控制氟的密度。
本发明人观察了硬碳膜29的质量。在此观察中，发明人在硅晶片上制备一些种类的硬碳膜29。硬碳膜29的厚度设定为50.0nm。对于单个硬碳膜29，进行氟含量的不同设定。X射线光电子光谱用于测量硬碳膜29中氟的含量。
对于单个硬碳膜29，本发明人已经测量了硬度和对水的接触角度。Nano Instruments的Nano刻痕仪II用于测量硬碳膜29的硬度。如从图8显然的那样，甚至当设定硬碳膜29中氟原子的含量为20at％时，可以获得大约20GPa的硬度。发明人确认由电子回旋加速器共振化学气相沉积或离子束沉积制备的碳膜的最大硬度达到大约18GPa。硬碳膜29中小于20at％的氟原子含量仍然提供硬碳膜29的足够硬度。此外，即使设定硬碳膜29中氟原子含量小于20at％，可以在硬碳膜29的表面上获得对水的足够排斥性能，如从图9是显然的那样。