DE19756410A1 - Steuerung der Oberflächenrauhigkeit von Magnetplatten - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Magnetplatten. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Steuerung der Mikrorauhigkeit der Oberflächen von Magnetplatten.

Stand der Technik

Magnetplatten sind Datenspeicher mit einer sehr großen Speicherkapazität. Ca. 400 Millionen Zeichen (Bytes) können auf einer Magnetplatte von rund 95 mm gespeichert werden.

Neben der hohen Speicherdichte müssen die Platten sowohl exakte mechanische als auch bestimmte tribologische Eigenschaften aufweisen. Beim späteren Praxiseinsatz bewegen sich die Platten mit ca. 5400 Umdrehungen pro Minute. Das bedeutet, daß der äußere Plattenrand eine Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h erreicht, wobei der Schreib-/Lesekopf weniger als ein zehntausendstel Millimeter (< 100 nm) von der Plattenoberfläche entfernt ist.

Nur durch allergrößte Präzision bei der Fertigung und durch statistische Prozeßkontrolle können diese Qualitätsanforderungen erreicht werden.

Aufgrund ihrer hohen Dichte wird bei modernen Hochkapazitätsmagnetplatten ein magnetisches Dünnfilmmedium für die Aufzeichnung der Daten verwendet. In einer allgemein verbreiteten Anordnung ruht ein Magnetkopf auf der Oberfläche der Magnetplatte innerhalb einer in Umfangsrichtung verlaufenden, datenfreien Start/Stop-Zone, wenn das Magnetplattenlaufwerk nicht benutzt wird.

Eine alternative Anordnung ist der sogenannte Load/Unload- Mechanismus, bei dem der Dünnfilmkopf außerhalb der Platte ruht und erst bei Aufnahme der Lese- und Schreibtätigkeit über die Plattenoberfläche geführt wird.

Durch die Drehbewegung der Platte wird bei beiden Verfahren ein Luftpolster zwischen Kopf und Platte gebildet, das den Kopf trägt.

Die an der Grenzschicht zwischen Magnetkopf und -platte vorhandenen Bedingungen werfen eine Vielzahl tribologischer Probleme auf. Bei der geschilderten Anordnung, bei der der Kopf innerhalb der Start/Stop-Zone ruht, gleitet der Magnetkopf so lange auf der Oberfläche der Platte, bis die Drehgeschwindigkeit der Platte groß genug ist, um den Kopf anzuheben. Oberflächenverschmutzungen, die von einem Kontakt des Kopfes mit der Platte herrühren, können zu einem Abrieb korrosionsbeständiger Beschichtungen auf der Platte führen und resultieren in einem vorzeitigen Ausfall der Platte oder des Kopfes.

Um Verschleiß und Abrieb zu verringern, wird die Magnetplatte üblicherweise mit einem Schmiermittel (Lubrikant) versehen. Ist jedoch die Oberfläche der Magnetplatte im wesentlichen eben, führt die hohe Oberflächenenergie des Lubrikanten zu einer stark erhöhten Adhäsion zwischen Kopf und Platte (Stiction). Hierdurch wird die Kraft vergrößert, die notwendig ist, um die Platte zu drehen und den Kopf abzuheben. Dies kann leicht zu einer Deformation und Beschädigung der äußerst filigranen Magnetkopfaufhängung und damit zu einem Ausfall des gesamten Laufwerks führen.

Zur Verminderung dieses unerwünschten Adhäsionseffekts wird die Oberfläche der Magnetplatte vor dem Aufbringen des magnetisch aktiven Dünnfilms üblicherweise aufgerauht, d. h., mit einer Textur versehen, so daß der Kopf, wenn er über die Fläche gleitet, auf der er auf der Platte aufsetzen soll, mit kleineren Rauhigkeiten (Asperities) statt mit der glatten Plattenoberfläche in Berührung kommt. Bei solchen Texturierungsprozessen werden entweder eine Vielzahl von kleinsten Rillen oder Tälern in die Magnetplatte eingeschliffen (mechanische Texturierung) oder aber gezielt Erhebungen durch lokales Aufschmelzen erzeugt (Laser-Texturierung). Beispiele für solche Texturierungsprozesse sind den US-Patentschriften 4,287,225; 4,698,251; 4,735,840 und 4,973,496 zu entnehmen.

Auch bei der sogenannten Load/Unload-Anordnung, bei der der Magnetkopf außerhalb der Platte ruht, spielt die Textur bzw. die Oberflächenrauhigkeit der Magnetplatte im Hinblick auf einen möglichst kleinen magnetisch wirksamen Abstand zwischen Magnetkopf und -platte eine große Rolle.

IBM TDB, Bd. 34, Nr. 5, S. 381-382 beschreibt die Verwendung von Plasmaprozessen zur Herstellung zufälliger Nanostrukturen auf einer Oberfläche.

In EP-A-0 567 748 werden Herstellung und Anwendungen von rauhen Siliziumoberflächen offenbart. Die Herstellung solcher Oberflächen mit einer Kontrolle der Rauhigkeitsdichte umfaßt a) einen LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)-Prozeß im Bereich von 1-5 mTorr und b) die Verwendung einer Oberfläche aus thermischem SiO₂, daß mit SiH₄ bei einer Temperatur im Bereich von 500-600°C relativ wenig reagiert. Eine solchermaßen behandelte Siliziumoberfläche wird u. a. als Substrat für eine Magnetplatte mit geringer Stiction verwendet.

Schließlich offenbart RD (Research Disclosure) n289, Mai 1988 das Aufdampfen eines sog. "metal undercoat" auf ein Substrat, um die Texturierung zu erreichen. Der aufgedampfte Metallfilm produziert eine einheitliche Mikrorauhigkeit, so daß die danach aufgebrachten magnetischen Schichten und Überzüge diese Rauhigkeit reproduzieren. In einer besonderen Ausgestaltung wird Chrom (Cr) auf ein Substrat aus einer Aluminium-Magnesium-Le­ gierung aufgedampft, die einen Nickel-Phosphor-Ober­ flächenfilm trägt.

Die vorgenannten Prozesse haben allerdings den Nachteil, daß sie keine exakte Steuerung der Mikrorauhigkeit der Oberfläche erlauben und/oder sehr aufwendig und daher kostenintensiv sind.

Hintergrund der Erfindung

Obwohl die vorliegende Erfindung auch für die sog. Load/Unload-Anordnung nutzbar ist, soll im folgenden ausschließlich die Anwendung auf solche Anordnungen diskutiert werden, bei denen der Magnetkopf in einer Start/Stop-Zone auf der Platte ruht.

Bei der Herstellung von Magnetplatten für Desktop- und Serverlaufwerke werden überwiegend NiP-beschichtete Al-Sub­ strate verwendet, auf die in einem Sputterprozeß Metallatome aufgebracht werden. Beispiele für verwendete Sputtermetalle sind Cr, Ni sowie Co+Cr+Pt, Co+Cr+Pt+Ta, etc., wobei Chrom besonders bevorzugt ist. Während des Sputterprozesses wachsen die Metallatome schneller an solchen Oberflächenbereichen der Magnetplatte auf, die das Wachstum energetisch begünstigen. Es handelt sich hierbei um Bereiche, die eine dickere Oxidbelegung aufweisen als ihre Umgebung (Oxidinseln). Bevorzugte Oxidation entsteht an Bereichen besonderer Topographie (Erhebungen, Rillen, Kratzer, etc. im atomaren Maßstab) oder aber Bereichen mit einer besonderen Oberflächenzusammensetzung, die für das Metallwachstum thermodynamisch günstig ist. An den Stellen, an denen das Vorzugswachstum stattfindet, entstehen dann kleine Metallatom-Knötchen, sog. Nodules. Diese Nodules werden durch nachfolgend aufgebrachte Schichten (Magnetschicht, Schutzschicht) dekoriert und führen zu näherungsweise halbkugelförmigen Erhebungen auf der fertig prozessierten Plattenoberfläche.

Größe und Flächendichte der Nodules haben einen starken Einfluß auf die Eigenschaften der Magnetplatte. Handelt es sich um relativ kleine und zahlreiche Nodules (Durchmesser 10-20 nm), so resultiert daraus eine mikroskopisch relativ glatte und homogene Oberfläche, die sehr niedrige Flughöhen des Magnetkopfes und damit eine effizientere magnetische Wechselwirkung zwischen Kopf und Platte erlaubt. Kommt allerdings der Kopf auf einer Platte mit kleinen Nodules zur Ruhe, so können die erhöhten Adhäsionskräfte zu einem Anstieg der Stiction führen.

Große Nodules (ca. 50-60 mm) mit geringer Flächendichte hingegen vergrößern den magnetisch wirksamen Abstand zwischen Kopf und Platte und verringern so die erzielbare Schreibdichte. Außerdem stellen sie Asperities dar, die den tribologisch bedingten Abrieb der Platte, verbunden mit Ablagerungen auf dem Magnetkopf vergrößern und so die Lebensdauer des Laufwerks verkürzen.

Neigt das benutzte Kopf/Platte-Interface dagegen zu erhöhter Stiction, bspw. bei organischer Kontamination oder sehr glatter Kopfoberfläche, so wirken sich große Nodules durch die Verringerung der effektiven Auflagefläche des Kopfes auf der Platte im Sinne einer Verminderung der Kopf/Platte-Adhäsionskräfte aus.

Ein weiterer negativer Aspekt großer Nodules ist die Gefahr der Oberflächenbeschädigung in Post-Sputter-Rei­ nigungsprozessen, die auf Asperities abrasiv wirken und zu einer Beschädigung der obersten Schutzschicht der Platte führen. Hierdurch wird die Korrosionsresistenz der Platte gegenüber der Einwirkung von Feuchte und Schadstoffen stark geschwächt.

Es ist daher von großem Interesse, die Größe der Nodules möglichst genau steuern zu können, d. h., sie in einen Bereich zu bringen, der einerseits die Gefahr von Stiction reduziert, und andererseits den magnetisch wirksamen Abstand im Hinblick auf größtmögliche Schreib- und Leseperformance minimiert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, daß es gestattet, die Größe der Nodules zu kontrollieren und damit die Mikrorauhigkeit der Magnetplatte gezielt zu beeinflussen.

Diese und andere Ziele werden erreicht durch ein Verfahren zur Oberflächentexturierung von Magnetplatten, das einen Schritt des Aufsputterns von Metallatomen auf die Oberfläche der Magnetplatte umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß vor dem Sputterprozeß bestimmte Oberflächenbereiche der Magnetplatte bei erhöhter Temperatur selektiv oxidiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet die Möglichkeit, die durch die Nodules verursachte Oberflächenrauhigkeit der Magnetplatten gezielt zu steuern, wenn dies gewünscht ist. Dies hat den Vorteil der gezielten Verringerung von Stiction, der Steigerung der magnetischen Performance und der Erhöhung der Korrosionsfestigkeit der Magnetplatte.

Im folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren, auch anhand der Zeichnungen, näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 die Oberfläche eines mit normalem Sauerstoffgehalt bei 60°C gespülten Substrats;

Fig. 2 die Oberfläche eines mit sauerstoffarmem Wasser gespülten Substrats;

Fig. 3 die Oberfläche einer Magnetplatte, die aus einem in Fig. 1 gezeigten Substrat hervorgegangen ist; und

Fig. 4 die Oberfläche einer Magnetplatte, die aus einem in Fig. 2 gezeigten Substrat hervorgegangen ist.

Beschreibung der Erfindung

Bei der Herstellung von Desktop- und Server-Magnetplatten wird ein NiP-beschichtetes Al-Substrat mechanisch bspw. mittels einer Diamant-Suspension texturiert (Erzeugung von Riefen), intensiv gewaschen (Pre-Sputter-Wash) und dann in einem Sputterprozeß mit einem Metallfilm und einem Schutzfilm aus diamantartigem Kohlenstoff (carbon overcoat) bedampft. Nach einer weiteren Reinigung wird die Platte dann lubriziert und anschließend magnetisch und mechanisch getestet.

In dem dem eigentlichen Sputterprozeß vorgeschalteten Waschschritt wird die NiP-Substratoberfläche durch den Einsatz eines aggressiven Reinigungsmittels (bspw. einer fluß- oder phosphorsäurehaltigen Lösung) angeätzt, wobei Texturierungsrückstände und der gesamte Oberflächenoxidfilm entfernt werden. Anschließend erfolgen mehrere Bürst- und Spülschritte. Der letzte Pre-Wash-Schritt besteht dann in einem Eintauchen der gereinigten Substrate in heißes Wasser, wobei die Substrate so stark erwärmt werden, daß sie in sehr kurzer Zeit trocknen.

Durch den im Spülwasser gelösten Sauerstoff kommt es zu einer Oxidation der Substratoberfläche, wobei Oberflächenoxide (NiO_x, NiPO_x) gebildet werden. Da diese Oxidation nicht homogen abläuft, sondern bevorzugt an Stellen, die entsprechende topographische Oberflächenmerkmale, wie Rillen, Kratzer, etc., aufweisen, oder die eine besondere Oberflächenzusammensetzung haben, an denen entsprechende thermodynamisch günstige Voraussetzungen vorliegen, entstehen dabei sog. Oxidinseln, die eine höhere Oxidbelegung aufweisen als ihre Umgebung. Die Oxidinseln reagieren später bevorzugt mit dem elementaren, hochreaktiven gesputterten Metall. Es werden dabei thermodynamisch sehr stabile Oxide, bei der Verwendung von Cr als Sputtermetall bspw. Cr₂O₃, und somit Keimpunkte für das weitere Metallwachstum gebildet.

Die Erfindung sieht nun vor, im letzten Spülschritt vor dem eigentlichen Sputterprozeß den Sauerstoffgehalt des wäßrigen Mediums genau zu kontrollieren und dadurch die auf der Substratoberfläche ablaufende Oxidation zu steuern. Auf diese Weise kommt es zu einer selektiven Oxidation bevorzugter Oberflächenbereiche, nämlich derer, an denen Rillen, Kratzer, etc. auftreten bzw. entsprechende thermodynamische Voraussetzungen vorliegen (Oxidinseln). Dabei muß das Spülmedium eine erhöhte Temperatur aufweisen, die im Bereich von ca. 30-80°C, bevorzugt bei 60°C liegt.

Nicht behandeltes Wasser (d. h., keine Entkeimung durch Ozonisierung, etc.) weist bei 60°C einen Sauerstoffgehalt von ca. 4-5 mg/l auf. Eine Verringerung des im Spülmedium gelösten Sauerstoffgehaltes auf Werte im Bereich von ca. 0-4 mg O₂/l, bspw. durch Entgasung (Einleiten von Stickstoff) führt dazu, daß die Oxidation der Substratoberfläche während des Kontakts mit dem Spülwasser wesentlich langsamer verläuft. Die Bildung von Bereichen mit stärkerer Oxidbedeckung verläuft dann unvollständig und es entstehen entweder keine bzw. nur sehr kleine und schwach ausgeprägte Oxidinseln. Bei der anschließenden Trocknung der Substrate in normaler Atmosphäre bildet sich auf der Substratoberfläche durch die Einwirkung von Luftsauerstoff eine dünne, sehr homogene Oxidhaut.

Für die im folgenden Sputterprozeß auf die Substratoberfläche auftreffenden Metallatome ist kein Bereich mit erhöhter Oxiddicke sichtbar, und es entstehen viele kleine Metall-Wachstumspunkte, die dann zur Ausbildung kleiner Nodules (Durchmesser ca. 10 nm) mit sehr hoher Flächendichte führen.

Zusätzlich läßt sich eine Homogenisierung, d. h., eine Verringerung der Nodule-Größenstreuung erreichen, wenn die Substrate nach dem Spülprozeß einer Heißlufttrocknung unterzogen werden. Durch die Einwirkung warmer Luft wird ein besonders gleichmäßiges Wachstum der Oberflächenoxidschicht erreicht, wodurch wiederum ein bevorzugtes Metallwachstum im nachfolgenden Sputterprozeß verhindert wird und dadurch zahlreiche kleine Nodules ähnlicher Größe gebildet werden.

Eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Spülmedium auf Werte im Bereich von ca. 5-10 mg O₂/l bspw. durch Abschalten der Entgasung und/oder wahlweise zusätzliche Einleitung von Sauerstoff verursacht hingegen die Ausbildung deutlich sichtbarer Oxidinseln auf der Substratoberfläche. Diese Inseln haben einen ungefähren Durchmesser von ≦ 10 nm und eine Höhe von ca 5-10 nm. Im nachfolgenden Depositionsprozeß können dann sehr große Nodules (50-60 nm Durchmesser) mit geringer Flächendichte durch bevorzugtes Aufwachsen der Metallatome auf den Oxidinseln erzeugt werden.

Beispiel

Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden Substrate und fertig prozessierte Magnetplatten miteinander verglichen, die mit unterschiedlichem Sauerstoffgehalt im letzten Spülschritt des Substrat-Waschprozesses vor dem Sputterprozeß behandelt wurden. Die Verringerung des Sauerstoffgehalts im Spülwasser wurde durch Begasung mit Stickstoff in einer handelsüblichen Entgasungsanlage realisiert. Als Referenz diente das "normale", d. h., nicht entgaste Spülwasser. Die Temperatur des Spülwassers betrug in beiden Fällen 60°C.

Die Substrate wurden zunächst texturiert und dann gewaschen. Der gesamte Waschprozeß bestand aus einem Ätzprozeß und einer Sequenz von Bürst- und Spülschritten.

Die topographische Oberflächencharakterisierung erfolgte mittels hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie (REM) bei 50000-facher Vergrößerung.

Fig. 1 zeigt die Oberfläche eines mit Wasser mit einem Sauerstoffgehalt von ca. 8 mg O₂/l bei 60°C gespülten Substrats und Fig. 2 die Oberfläche eines mit Wasser mit einem Sauerstoffgehalt von ca. 1,7 mg O₂/l gespülten Substrats.

Unter "normalem" Sauerstoffgehalt ist in diesem Beispiel ein Wert von ca. 8 mg O₂/l zu verstehen. "Sauerstoffarmes" Wasser bedeutet in diesem Beispiel einen Wert von ca. 2 mg O₂/l.

Es ist deutlich zu erkennen, daß die mit höherem Sauerstoffgehalt gespülte Oberfläche kleinere Erhebungen (Knötchen) mit einem Durchmesser von maximal 10 nm zeigt, während auf der mit entgastem Wasser gespülten Oberfläche diese Erhebungen völlig fehlen bzw. durch REM nicht mehr detektierbar sind.

Die jeweiligen Substrate wurden dann in nachfolgenden Sputterprozessen mit einer Cr-Schicht (30 nm Dicke), einer Co/Pt/Cr-Schicht (40 nm Dicke) und einer Kohlenstoffschicht (10 nm Dicke) belegt sowie lubriziert.

Fig. 3 zeigt die Oberfläche einer Magnetplatte, die aus einem normalen, d. h., mit stärker sauerstoffhaltigem Spülwasser prozessierten Substrat hervorgegangen ist. Es sind deutlich halbkugelförmige Erhebungen (Nodules) mit einem Durchmesser von 50-60 nm zu erkennen. Die Flächendichte dieser Nodules ist im wesentlichen mit der Flächendichte der entsprechenden Substraterhebungen vergleichbar.

Fig. 4 zeigt die Oberfläche einer Magnetplatte, die aus einem mit entgastem Spülwasser behandelten Substrat hervorgegangen ist. Sie weist keine durch das REM detektierbaren Erhebungen auf und korrelliert damit zu der entsprechenden, völlig glatten Substratoberfläche.

Der Unterschied der beiden Plattenoberflächen ist signifikant und gut reproduzierbar. Die mit entgastem warmen Wasser behandelten Substrate ergeben, abgesehen von der Texturrauhigkeit, völlig glatte Oberflächen, während die mit stärker sauerstoffhaltigem warmen Wasser gespülten Substrate unmittelbar nach dem Waschprozeß kleine Erhebungen (Oxidinseln) auf der Oberfläche aufweisen, aus denen während des nachfolgenden Sputterprozesses relativ große Nodules entstehen.

Auf diese Weise läßt sich die Oberflächenrauhigkeit der Magnetplatten durch Steuerung des Sauerstoffgehalts des Spülwassers vor dem Sputterprozeß exakt einstellen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Oberflächentexturierung von Magnetplatten, umfassend einen Schritt des Aufsputterns von Metallatomen auf die Oberfläche der Magnetplatte, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sputterprozeß bestimmte Oberflächenbereiche der Magnetplatte bei erhöhter Temperatur selektiv oxidiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Oxidation in einem dem Sputterprozeß vorgeschalteten Spülprozeß durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Oxidation durch Steuerung des Sauerstoffgehalts im Spülprozeß erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Sauerstoffgehalts durch Begasen mit einem nicht reaktiven Gas realisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Sauerstoffgehalts durch kontrolliertes Einleiten von Sauerstoff realisiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sputterprozeß Chrom als Metall verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 30-80°C, bevorzugt bei 60°C liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den bestimmten Oberflächenbereichen um Defektstellen (Kratzer, Unebenheiten, etc.) handelt.