用于淀积薄膜粘结层的方法.pdf

本申请公开了一种物理气相淀积(PVD)方法，其中，将氙用作淀积粘结层最好是硅的真空腔中的工作气体，其可使粘结层变得超薄，并且与现有技术的薄膜相比，具有提高的耐久性。现有技术中通常使用氩作为工作气体，而这导致氩原子混入到超薄硅膜中并产生不良的结果。在只有几埃厚的薄膜中，薄膜混有氩或其它元素会使薄膜的粘结性能降低，在有些情况下，稀有原子例如氩会脱离薄膜而留下空隙或小孔。在真空腔中使用较大和较重的氙原子可形成基本上较为无暇的薄膜，并减少了空隙和小孔。在优选实施例中，采用氙作为淀积硅粘结层的工作气体，并且使用过滤阴极弧(FCA)法，从而将保护涂层、最好是碳基保护涂层淀积在磁记录头上。

1、  一种用于薄膜真空淀积的方法，其包括以下的步骤：
将硅靶安装在真空腔中；
将主要由氙气构成的工作气体引入到真空腔中；以及
用氙离子轰击硅靶；以及
在真空腔中将硅薄膜淀积在工件上。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中，工件是薄膜磁头。

3、  根据权利要求1所述的方法，其中，硅薄膜的厚度小于10埃，且工件为薄膜磁头。

4、  根据权利要求3所述的方法，其中还包括以下的步骤：在淀积硅薄膜之后，将薄膜碳涂层真空淀积到硅薄膜上。

5、  根据权利要求3所述的方法，其中还包括以下的步骤：在淀积硅薄膜之后，利用过滤阴极弧法将一个薄膜涂层真空淀积到硅薄膜上。

6、  根据权利要求5所述的方法，其中，薄膜涂层是金刚石状的碳。

7、  一种制造薄膜磁头的方法，其包括以下的步骤：
利用PVD工艺并将氙作为工作气体将硅薄膜淀积在薄膜磁头上；以及
将金刚石状的碳层淀积在硅薄膜上。

8、  根据权利要求7所述的方法，其中，淀积金刚石状的碳层的步骤还包括利用过滤阴极弧法。

9、  根据权利要求7所述的方法，其中，硅薄膜的厚度小于10埃。

10、  根据权利要求7所述的方法，其中，PVD工艺包括离子束发生器和等离子束中和器。

11、  根据权利要求10所述的方法，其中，等离子束中和器使用氙气。

12、  一种制造薄膜磁头的方法，其包括以下的步骤：
利用具有离子束发生器的PVD工艺并将氙作为工作气体将硅薄膜淀积在薄膜磁头上；以及
利用过滤阴极弧法将金刚石状的碳层淀积在硅薄膜上。

13、  根据权利要求12所述的方法，其中，硅薄膜的厚度小于20埃。

14、  根据权利要求12所述的方法，其中，PVD工艺包括等离子束中和器。

15、  根据权利要求14所述的方法，其中，等离子束中和器使用氙气。

用于淀积薄膜粘结层的方法
【技术领域】
本发明涉及淀积薄膜粘结层的方法，具体地说，本发明涉及防护层的硅薄膜粘结层，更具体的是涉及用于薄膜磁头的这种薄膜。
【背景技术】
图1示出了可用于磁盘驱动器的磁转换器20(也称为磁头)的一种共有的内部结构。由于大的厚度范围会使较小的结构看不清楚，因此，图中的结构未按比例进行绘制。除非下面有说明，否则，这里所述的所有结构的尺寸都是按照现有技术确定的。薄膜保护层45和粘结层43对易损元件例如磁电阻传感器35、防护屏S1和S2以及都由NiFe制成的磁极片P1和P233进行防护。保护层45的表面位于面对转动磁盘(未示出)表面的转换器的空气轴承表面(ABS)上。粘结和保护层的总厚度限制了磁致电阻传感器35和转换器的其它元件尽可能地接近磁盘的磁介质，因此，也限制了可写入磁盘和从磁盘读出的信息的区域密度。
在Hsiao等人的美国专利US6503406中，采用了具有用于磁转换器的碳保护层的硅粘结层。Grill等人在US5159508中描述了一种在平版印刷过程之前在滑块上形成保护涂层的干燥方法。保护涂层包括两层，第一层是一个粘结层例如硅层，第二层是非晶碳层。然后将ABS形成于覆盖有保护涂层的滑块上。
Liu等人的美国专利US6086730描述了一种喷镀具有较高的sp³键量的碳保护层的方法，其中涉及将相对较高的电压脉冲作用于碳靶上。Liu的US6086730认定最终的碳涂层使良好的耐久性和抗腐蚀性下降，从而减小了厚度。除了脉冲DC喷镀具有上述的特性之外，Liu还指出：基片可具有负电压偏压以增强碳膜的ta-C:H特性。名义上，基片被偏压成负电压，并通过将氩离子用于喷镀靶或对在以较高的靶偏压电势进行喷镀的过程中可能形成的碳离子进行加速，从而存在着基片附加轰击电势。当施加基片偏压时，在淀积过程中，碳和氩的正离子向基层加速。但是，Liu没有注意到氩原子可混入到碳膜中而产生不良的结果。
在通常的喷镀过程中，反应腔的气体环境中包含稀有气体，通常主要是氩，但氦、氖、氪和氙通常也成为其替代物(例如参见Makowiecki等人的美国专利US6569293)
在2003年6月19日公开的美国专利申请US20030113588中，Uwazumi、Hiroyuki等人指出：通过将一种惰性气体与一种具有较大的原子量和原子半径的不同惰性气体相混合，就可降低残留在薄膜磁盘底层中的一种惰性气体的原子浓度。磁层层叠在底层上。底层在包含氪与氙中的至少一种和氩在内的气体环境中以足以将残留在底层中的氩降低到小于1000ppm的量进行淀积。这种气体环境包含至少10％的氪或氙，并加压到30-70mTorr。底层由通过适合于磁层外延生长的细小颗粒构成的薄膜结构形成。
在Han等人的美国专利US6236543中，描述了采用过滤阴极弧(FCA)淀积来形成用于四面体非晶碳(t-aC)的滑块空气轴载表面(ABS)的着靶片。t-aC非常坚硬且承受较高的应力。在滑块涂覆了粘结层例如Si、SiC、SiO₂或Si₃N₄，且已形成金刚石状碳(DLC)或t-aC的碳涂层之后，再制造片。片通过过滤阴极弧淀积形成，过滤阴极弧淀积使用来自石墨阴极的碳离子和可去除掉大微粒的过滤器。最终形成的t-aC材料被认为具有实际上与金刚石性能等效的性能，其具有与近乎无处不在的sp³键有关的较高的应力和硬度。t-aC的另外的优点是降低了表面能量和湿润度。
为了改善磁薄膜转换器的性能，保护涂层45和粘结层43必须制得尽可能的薄，以减小与磁介质的隔离，并仍可起到防护作用。
【发明内容】
申请人公开了一种物理气相淀积(PVD)方法，其中，将氙用作淀积粘结层最好是硅的真空腔中地工作气体，其可使粘结层变得超薄，并且与现有技术的薄膜相比，具有提高的耐久性。现有技术中通常使用氩作为工作气体，而这导致氩原子混入到超薄硅膜中并产生不良的结果。在只有几埃厚的薄膜中，薄膜混有氩或其它元素会使薄膜的粘结性能降低，在有些情况下，稀有原子例如氩会脱离薄膜而留下空隙或小孔。在真空腔中使用较大和较重的氙原子可形成基本上较为无暇的薄膜，并减少了空隙和小孔。在优选实施例中，采用氙作为淀积硅粘结层的工作气体，并且使用过滤阴极弧(FCA)法，从而将保护涂层、最好是碳基保护涂层淀积在磁记录头上。
【附图说明】
图1是薄膜磁头的层状结构的示意图，本发明可方便地用于该层状结构上。
图2是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过7小时NaCl溶液浸渍试验后的可见腐蚀柱状图。
图3是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过7小时NaCl溶液浸渍试验以及2小时超声(US)NaCl溶液浸渍试验后的可见腐蚀柱状图。
图4是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过7小时NaCl溶液浸渍试验后传感器中的电阻变化的柱状图。
图5是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过7小时NaCl溶液浸渍试验以及2小时超声(US)NaCl溶液浸渍试验后传感器中的电阻变化的柱状图。
图6是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过3分钟[NaCl+H₂SO₄]溶液浸渍试验后传感器中的电阻变化的柱状图。
【具体实施方式】
本发明利用氙来代替氩将硅或类似材料真空淀积在超薄薄膜上，并可产生意想不到的效果。现有技术表明，稀有气体氩、氪和氙在PVD过程中基本上是可互换使用的。申请人发现，通过减少工作气体原子混入薄膜的量，就可改善薄膜的内在特性。将较大和较重的氙原子以低于氩混入量一个数量级的量混入到超薄硅膜中。高级硅膜在经历一个工艺用于形成金刚石状的碳(DLC)、例如使用高能离子来形成DLC键的过滤阴极弧(FCA)时，是特别重要的。利用氙淀积的硅粘结层和FCA淀积的DLC的组合物对于需要一个厚度小于25埃的坚硬、致密且不可渗透的保护层结构的磁记录头来说是特别有用的。通常，磁头硅层应当小于20埃。虽然在下面所描述的实施例中在PVD过程中使用了离子束发生器和等离子束中和器，但是，结果应当适用于磁控管喷镀和先前采用氩作为工作气体的其它任何工艺。
在申请人进行的一项试验中，根据现有技术，在PVD过程中采用氩作为工作气体来淀积硅膜。最终薄膜的X射线反射率测量(relectometry)(XRR)密度测量值大于硅膜的理论值，从而表明较重的氩原子已污染了薄膜。采用氙作为工作气体来PVD淀积第二硅膜。该膜的XRR密度测量值接近硅的理论值，从而证明膜基本上没有氙或其它杂质原子。而且数据表明，膜基本上没有小孔或孔隙，因为这些小孔或孔隙会造成密度低于预期的密度值。
在另一个试验中，利用PVD过程制备两组磁头，将硅粘结层淀积大约6埃的厚度。硅靶与用于初级离子源的离子束发生器、工作气体和等离子束中和器(PBN)气体一起使用。对于其中一组磁头，利用氙作为工作气体来淀积硅粘结层，并将氩用作PBN气体。第二组磁头按照现有技术采用氩作为这两种气体进行处理。在每一组磁头上，利用FCA过程将大约9埃的金刚石状的碳(DLC)保护层淀积在硅上。在这两种磁头上进行抗腐蚀试验。在进行7小时NaCl溶液浸渍试验后，对S1、S2、P1和P2进行光学测试。绘图时，将每个结构的二元截断基准选定为ABS表面区域发生20％的腐蚀。对于两组磁头中的每一组，图2示出了具有P2、P1、S2和S1结构的磁头腐蚀区域超过20％时的百分比。对于磁极片和防护屏中的每一个，利用氙制造的磁头腐蚀极小。例如，在每组磁头中，S1具有最大的腐蚀率，但大约30％通过氩处理的磁头的S1结构具有超过20％的可见腐蚀。而利用氙制备的磁头，进行类似腐蚀的S1结构只有大约6％的可见腐蚀。其它结构的结果与S1的结果一致。
所进行的另一种腐蚀性能试验是在7小时NaCl溶液浸渍后进行3小时的US NaCl溶液浸渍测试。同样进行上述S1、S2、P1和P2的相同光学测试。对于两组磁头中的每一组，图3示出了具有P2、P1、S2和S1结构的磁头腐蚀区域超过20％时的百分比。对于磁极片和防护屏中的每一个，利用氙制造的磁头腐蚀极小。
另一种评价腐蚀的方法是用于MR传感器。图4是经过7小时NaCl溶液浸渍试验后MR传感器中的电阻变化的柱状图。每组磁头的三个柱表示电阻变化分别大于5欧姆、3欧姆和1欧姆的磁头的数目。本发明利用氙制造的磁记录头只表现出极小的传感器电阻变化，因此，每个范围的柱大致为0。利用氩制造的磁头电阻变化超过3欧姆的有3％，而电阻变化超过5欧姆的几乎为2％。本发明制造的磁头在MR传感器抗腐蚀方面有显著的提高。
图5是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过7小时NaCl溶液浸渍试验以及2小时US NaCl溶液浸渍试验后MR传感器中的电阻变化的柱状图。对于三个范围中的每一个，具有氙淀积硅粘结层的磁头在抗腐蚀方面具有明显的改善。例如，具有氩淀积粘结层的磁头电阻变化为5欧姆的超过了3％，而氙磁头电阻变化超过5欧姆的只有大约0.4％。
图6是进行腐蚀情况比较的本发明利用氙制造的磁记录头与现有技术的利用氩制造的磁记录头在经过3分钟[NaCl+H₂SO₄]溶液浸渍试验后MR传感器中的电阻变化的柱状图。氙磁头的传感器电阻仍然只有极小的变化，而其它磁头电阻变化超过5欧姆的有1.5％。
即使将氩用作PBN气体，也可获得上述的结果。PBN气体通常小于真空腔内总气体的5％。通过将氙用作PBN气体还可进一步地改善上述的PVD过程。
上面已对本发明在薄膜磁头上的应用进行了描述，但对于本领域技术人员来说，显然还有其它的可得益于本发明的粘结和防护层性能的用途和应用。